CN111952631A - 一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，在收到冷启动命令后，开启冷却路PTC和排氢阀加热模式，设定排氢阀开闭时长，设置水泵转速和转停间隔；等待氢入压力出现波动，设定节气门开度和空压机转速，更改氢入压力；等待满足氢、空、水和电压参数，闭合母线继电器，设置氢气循环泵转速，设置拉载的电流密度和加减载斜率；监测电堆单体平均电压，如果触发下限值，则降低设定电流密度，直至触发上限值，再增加电流密度，当电堆水出温度上升至阈值时，冷启动结束。本发明用于在燃料电池系统低温冷启动阶段快速热机，同时保证系统功率输出。

Description

一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法。

背景技术

车用燃料电池系统应用场景常有温度低于零下的情况，如何在零下低温时快速热机，保证电堆和系统的正常启动是各个高校和企业的研究燃料电池的重点。

车用燃料电池系统在低温冷启动时要解决多个问题，首先要保证车用燃料电池系统零部件如空气路进出节气门、氢气循环泵、排氢电磁阀在启动时能融冰或破冰，保证空气和氢气流通的顺畅，电堆可拉载发电。其次要解决的问题是如何快速升温，并延缓电堆内电化学反应产生的液态水在低温中存冰，同时防止冰层覆盖催化层表面和堵塞气体流道。最后需要在电堆拉载过程中，提高电堆产热量，加大输出功率的同时，保证电堆的一致性，控制单片电压的方差。

燃料电池电堆在低温启动阶段，拉载电流可实时变化，以适应电堆单体电压变化，保证一致性和升温速率。电堆在低温冷启动阶段失败将使电堆阴极测生成水凝结成冰，造成电堆内部膜电极和扩散层机械损伤，所以合理和快速的冷启动策略研究至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，用于在燃料电池系统低温冷启动阶段快速热机，同时保证系统功率输出。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，包括如下步骤：

在收到冷启动命令后，进入阶段一；

阶段一：开启冷却路PTC和排氢阀加热模式，设定排氢阀开闭时长，设置水泵转速和转停间隔，进入阶段二；

阶段二：等待氢入压力出现波动，设定节气门开度和空压机转速，更改氢入压力，进入阶段三；

阶段三：等待满足氢、空、水和电压参数，闭合母线继电器，设置氢气循环泵转速，设置拉载的电流密度和加减载斜率，进入阶段四；

阶段四：监测电堆单体平均电压，如果触发下限值，则降低设定电流密度，直至触发上限值，再增加电流密度，当电堆水出温度上升至阈值时，冷启动结束。

优选的，所述阶段一包括：设定冷却路PTC全开；排氢阀加热开启，排氢阀开闭时长设定t1/t2；设定空压机转速R1、转停时长t3/t4；设定氢入压力P1。

优选的，所述阶段二包括：

步骤201，检测氢入压力波动值是否满足P2，若否，当时间＞t5时，启动失败；若是，则步骤202；

步骤202：设定空入节气门开度A％，设定背压节气门开度B％；

步骤203，当节气门反馈位置满足A％和B％时，则设定空压机转速为R2，设定氢入目标压力为P3；若不满足，则当时间＞t6时，启动失败；

步骤204，进入阶段三。

优选的，所述阶段三包括：

步骤301，当满足电堆空入压力≥P4、电堆氢入压力≥P5、电堆空入流量≥F1、电堆水入压力≥P6、电堆总电压≥U1、电堆最低单体≥U2时，则闭合继电器，设定氢气循环泵转速R3；若不满足，则当时间＞t6时，启动失败；

步骤302，设定电堆拉载电密I1，设定加载斜率C1，设定降载斜率C2；进入阶段四。

优选的，所述阶段四包括：

步骤401，检测是否满足电堆单片平均电压≥U3；若是，则进入步骤402；若否，则降低电堆电密，设定I≥I3；

步骤402，增加电堆电密，设定I≤I2，进入步骤403；

步骤403，当满足电堆电密I＝I2、电堆单片平均电压≥U3、电堆水出温度≥T1时，则冷启动结束，进入常温热机；当满足电堆单片平均电＜U3时，降低电堆电密，设定I≥I1，进入步骤404；

步骤404，检测是否满足电堆单片平均电压≥U3，若是，则进入步骤402；若否，则降低电堆电密，设定I≥I3，进入步骤405或步骤407；

步骤405，当电堆单片平均电压＜U4时，降低电堆电密至I4，进入步骤406；

步骤406，检测是否满足电堆单片平均电压≥U5，若满足，则增加电堆电密，设定I≤I3，进入步骤405；若否，则当时间＞t8时，启动失败；

步骤407，当满足电堆电密I＝I3、电堆单片平均电压≥U4、电堆水出温度≥T1时，则冷启动结束，进入常温热机。

本发明的有益效果为：

燃料电池系统通过增加冷却路PTC加热器的措施，在低温冷启动过程中辅助电堆冷却路快速升温。同时从材料选型、增加电加热装置的形式对零部件进行优化，提高其低温冷启动时的破冰和融冰能力，如选择节气门选择功率更大的电机增加阀门开启扭矩，排氢阀或者氢气循环泵增加电加热片。

燃料电池系统在低温环境中的吹扫策略与常温不同，更长时间和复杂的吹扫策略可以将空气和氢气路的液态水尽可能排出系统外，将吸附在氢气循环泵泵头上的液态水吹至干净，保证下一次系统启动时循环泵时可以正常工作。

燃料电池电堆反应产生液态水，需要快速升温，并延缓电堆阴极表面生成的液态水在低温中存冰情况，将生成水吹出电堆。由于系统控制策略不同，有多种方式，可适当增加拉载电流，减少空气计量比，增加电堆热效率，但是空气侧液态水吹扫能力会降低；也可以适当降低拉载电流，增加空气计量比，增加空气侧液态水吹扫能力，但是电堆升温速率将会降低。策略的制定需要结合电堆本身性能和系统的设计构成。

本发明的燃料电池系统收到低温停机命令后，等待电堆电流降至特定值，通过提高空气和氢气的压力、增加阴极空气流量、增加阳极排水频率、维持电堆较高水温，进行吹扫。同时在带载吹扫过程中，在第一阶段吹扫过程，氢循环泵转动；第二阶段吹扫过程，氢循环泵停止转动，可改善氢循环泵低温冰冻现象。同时在吹扫过程中若出现单低现象，则进行补充时段的开路吹扫。吹扫时长根据标定值或者电堆在特定电流下的电压值为标准，同时吹扫结束后进行放电和补氢操作，放电时长根据电堆总电压或者单体电压进行判断，保证下一次低温可以正常启动。

附图说明

图1是本发明一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法的方法流程图。

图2是本发明一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法中第二阶段至第三阶段的方法流程图。

图3是本发明一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法中第四阶段的方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，包括如下步骤：

在收到冷启动命令后，进入阶段一；

阶段一：开启冷却路PTC和排氢阀加热模式，设定排氢阀开闭时长，设置水泵转速和转停间隔，进入阶段二；

阶段二：等待氢入压力出现波动，设定节气门开度和空压机转速，更改氢入压力，进入阶段三；

阶段三：等待满足氢、空、水和电压参数，闭合母线继电器，设置氢气循环泵转速，设置拉载的电流密度和电流加减载斜率，进入阶段四；

阶段四：监测电堆单体平均电压，如果触发下限值，则降低设定电流密度，直至触发上限值，再增加电流密度，当电堆冷却液出口温度上升至阈值时，冷启动结束。

如图2所示，阶段一包括：设定冷却路PTC全开；排氢阀加热开启，排氢阀开闭时长设定t1/t2；设定空压机转速R1、转停时长t3/t4；设定氢入压力P1。其中：t1为排氢阀开启时长，t2为排氢阀关闭时长，t3为水泵转动时间，t4水泵停止时间，R1为空压机转子转速，P1为氢气入电堆的压力。

在一个实施例中，如图2所示，所述阶段二包括：

步骤201，检测氢入压力波动值是否满足P2，若否，当时间＞t5时，启动失败；若是，则步骤202；其中，P2为一个压力波动差值，当排氢阀破冰开启瞬间，氢气会瞬间排出系统，造成一定的压力下降波动，t5指排氢阀加热，不能有上述的破冰压力下降波动，等待超过一定时长。

步骤202：设定电堆空入节气门开度A％，设定背压节气门开度B％。

电堆空入节气门为在系统内部空气路有一个节气门，其位于电堆入口，用于打开和关闭的，隔断空气流通等作用，其开度是一个百分比，A％为标定值。同理背压节气门也是系统内部空气路有一个节气门，用于调节压力的，其开度是一个百分比，B％标定值。

步骤203，当节气门反馈位置满足A％和B％时，则设定空压机转速为R2，设定氢入目标压力为P3；若不满足，则当时间＞t6时，启动失败。

R2为空压机转子转速，氢入目标压力P3是氢入电堆目标压力设定值，氢入压力是氢气入电堆压力，为实际值；t6为等待该过程零部件到达设定值的时间，一旦超过，说明存在部件问题，判定启动失败。

步骤204，进入阶段三。

在一个实施例中，如图2所示，所述阶段三包括：

步骤301，当满足电堆空入压力≥P4、电堆氢入压力≥P5、电堆空入流量≥F1、电堆水入压力≥P6、电堆总电压≥U1、电堆最低单体≥U2时，则闭合继电器，设定氢气循环泵转速R3；若不满足，则当时间＞t7时，启动失败。

电堆空入压力是空气入电堆压力，电堆氢入压力是氢气入电堆压力，电堆水入压力是冷却液入电堆压力，R3为循环泵内转子转速，T7为等待该过程到达设定值的时间，一旦超过，说明存在部件问题，判定启动失败。其中，P4为电堆空入压力设定值，P5为电堆氢入压力设定值，F1为电堆空入流量设定值，P6为电堆水入压力设定值。

步骤302，设定电堆拉载电密I1，设定加载斜率C1，设定降载斜率C2；进入阶段四。其中：I1为电堆拉载设定的电流密度，C1为电流加载斜率，C2为降载斜率。

在一个实施例中，如图3所示，所述阶段四包括：

步骤401，检测是否满足电堆单片平均电压≥U3；若是，则进入步骤402；若否，则降低电堆电密，设定I≥I3；(I3为设定的电堆电流密度最低值)

步骤402，增加电堆电密，设定I≤I2，进入步骤403；(I2为设定的电堆电流密度最高值)

步骤403，当满足电堆电密I＝I2、电堆单片平均电压≥U3、电堆冷却液出口温度≥T1时，则冷启动结束，进入常温热机；当满足电堆单片平均电＜U3时，降低电堆电密，设定I≥I1，进入步骤404；

其中：I1为设定的电堆电流密度，U3为设定的电堆单片平均电压，TI为设定的电堆冷却液出口温度。

步骤404，检测是否满足电堆单片平均电压≥U3，若是，则进入步骤402；若否，则降低电堆电密，设定I≥I3，进入步骤405或步骤407；

步骤405，当电堆单片平均电压＜U4时，降低电堆电密至I4，进入步骤406；

步骤406，检测是否满足电堆单片平均电压≥U5，若满足，则增加电堆电密，设定I≤I3，进入步骤405；若否，则当时间＞t8时，启动失败；(其中t8为等待该过程到达设定值的时间，一旦超过，说明存在部件问题，判定启动失败)。

步骤407，当满足电堆电密I＝I3、电堆单片平均电压≥U4、电堆水出温度≥T1时，则冷启动结束，进入常温热机。

本发明的燃料电池系统接收到冷启动命令后，分为四个阶段进行冷启动。第一阶段：开启冷却路PTC和排氢阀加热模式，排氢阀开闭时长设定，设置水泵转速和转停间隔，设置氢入压力；第二阶段：等待氢入压力出现波动，设定节气门开度和空压机转速，增加氢入压力；第三阶段：等待满足氢空水和电压参数，闭合母线继电器，氢气循环泵转速设置，设定拉载电流密度和加减载斜率；第四阶段：电堆单体平均电压下降，如果触发下限值，降低设定电流密度，直至触发上限值，再增加设定电流密度，电流密度锯齿形变化，电堆单体平均电压波动上升，当电堆水出温度上升至阈值时，冷启动结束。

本发明系统按照指令逐步进行冷启动步骤，可保证系统低温冷启动阶段快速热机和功率输出。燃料电池系统含有加热PTC，冷却路PTC位于燃料电池系统冷却路的小循环，利于冷却路蓄热，通过电辅助加热，加速系统升温。第一阶段中排氢阀为一般电磁阀，但同时含有加热和温度反馈功能，可监测电磁阀内部温度。排氢阀设置开启和关闭时长，用于氢气侧排氢排水。第一阶段中水泵转速设置开启和关闭时长，用于利于将冷却路PTC的热量进行蓄热，提高电堆温度。设置氢入压力，等待排氢阀融冰，出现压力降。

排氢阀位于系统氢气路出口，需要进行加热，用于阀内小孔融冰。排氢阀属于电磁阀，可设定打开和关闭时长，并由策略决定具体时长。在阀内小孔融冰之前，接收到打开命令，但并不能打开。冷却路水泵转速可设置，通过转动和停止命令，使得冷却液缓慢流动，利于将冷却路PTC的热量进行蓄热，提高电堆温度。冷却路水泵转停时长和转速由策略决定。

第二阶段中，通过低压氢系统将氢气通入燃料电池系统内，并设置一定电堆入口氢气压力(即氢入压力)。等待氢入压力出现波动，说明排氢阀融冰成功。该氢气侧压力不能太高，避免膜两边差过大，导致影响膜的机械损伤。氢入压力波动值和氢入压力设定由策略决定。

在第二阶段中，设定节气门开度和空压机转速，建立燃料电池空气测压力和流量。节气门开度和空压机转速具体值由策略决定。在建立空气测压力之后，更改氢气测压力设置，增加氢入压力，利于系统冷启动。

第二阶段氢入压力出现波动，由压力传感器反馈给控制器，控制器执行下一阶段命令，设定空气路节气门开度，该节气门为电堆空入节气门和背压节气门，用于在停机阶段组织外部空气中的氧气进入电堆，同时背压节气门用于调节空气路压力。两者都带有反馈信号，当反馈值满足设定值后空压机设定转速，同时提高氢气入口压力设定值。

在第三阶段中，等待氢空水和电压参数满足策略要求后，闭合母线继电器，电堆电流可输出。对氢气循环泵转速进行设置。氢气循环泵在低温下能否正常运行和泵头叶轮破冰，可结合系统停机时氢气路低温吹扫和启动前对循环泵进行预加热等措施开展。设定拉载电流密度和加减载斜率，其与电堆本身性能、系统设计和策略有关。电堆拉载过程中，根据电堆平均电压值进行拉载电流密度的控制，如果触发下限值，降低电流密度，直至触发上限值，再增加电流密度。电流密度呈锯齿形变化，电堆单片平均电压波动上升。

在第三阶段，由于第二阶段氢气和空气已通入电堆，将建立电堆开路电压。等待电堆空入压力、电堆氢入压力，电堆空入流量、电堆水入压力，和电堆总电压和单体电压满足参数后，对电堆母线继电器进行关闭，同时设定循环泵转速。

第四阶段中，设置多重电堆平均电压下限阈值，触发后逐级降低电流密度，避免在冷启动发过程中，系统因为电堆电压偏低的急停频率。电堆水出温度和在指定电流密度下电堆平均电压是否达到阈值是判断冷启动是否完成的指标。

第四阶段，监测电堆单片平均电压，如果电堆单片平均电压高于阈值，则增加电堆拉载电流密度，在进一步满足单片平均电足阈值情况下等待电堆水出温度上升，直至触发冷启动结束命令。如果电堆单片平均电压高于阈值，但是在增加电堆拉载电流密度过程中，没有进一步满足单片平均电足阈值，则降低电堆拉载电流密度，如果电堆单片平均电压能进入平稳阶段，则可适当增加电堆拉载电流密度，以锯齿形变化，逐步提升电堆输出功率，直至电堆水出温度上升，触发冷启动结束命令。

第四阶段设置有多级电堆单片平均电压阀值和电堆拉载电流密度，用于控制电堆单片电压一致性，增加电堆输出功率和发热量，快速热机。

以上四个阶段中，第二至四阶段设置有超时阈值，超过一定时间没有达到参数，冷启动失败，系统进入急停，保证电堆和系统安全。

本发明车用燃料电池系统低温冷启动控制方式清晰易懂，结合系统设计和匹配，便于车载应用。

如图2-图3所示，车用燃料电池系统接收到低温冷启动命令，首先进入阶段一，设置PTC加热器全开，以最大功率加热燃料电池冷却路，且PTC位于冷却路小循环，利于蓄热。排氢阀加热开启，第一时间开始加热阀体，促使阀体温度上升，用于融冰；设置开启时长t1和关闭时长t2，用于氢气侧排氢排水；设置水泵转速R1，使燃料电池系统冷却路开始流动；设置水泵转动时间t3和停止时间t4，防止PTC加热的热量积聚在PTC内部。转停策略保证冷却液流动不易过快，减少热传导。通过低压供氢系统设置氢入压力P1，用于监测排氢阀是否融冰，氢气路气体是否可以流通。

进入阶段二，等待排氢阀阀体温度上升，通过突然出现的氢气压力降可判断排氢阀融冰是否成功。如果超过时间t5，氢气压力还未出现波动则判断排氢阀出现故障，启动失败，系统急停。当氢入压力出现波动，设定空气入口和和出口节气门开度A％和B％。接收节气门反馈位置信号时长为t6，超时表明节气门未能破冰，启动失败，急停。收到节气门反馈位置信号满足设定值后，设定空压机转速R2，建立空气流量和压力。设定氢入压力P2，且P2＞P1，减少质子膜两侧氢空压力差。

进入阶段三，等待各参数满足判据：电堆空入压力≥P4，电堆氢入压力≥P5，电堆空入流量≥F1，电堆水入压力≥P6，电堆总电压≥U1，电堆最低单体≥U2。若判据超时t7，则说明某个部件未正常工作，系统急停。系统各参数满足判据，电堆建立开路电压，且未有单低，闭合母线继电器，电堆可拉载。设定氢气循环泵转速R3，此处循环泵是否能正常启动涉及循环泵停机过程的吹扫策略和启动前的预热处理，此处不再描述。设定电堆拉载电密I1，设定加载斜率C1，降载斜率C2。

进入阶段四，电堆拉载I1后电堆单片平均电压下降，若电堆单片平均电压≥U3，进入下一级段，增加电堆拉载电密I2，I2＞I1。如果电堆拉载电密I＝I2，且电堆单片平均电压≥U3，等待电堆水出温度≥T1，冷启动结束，系统进入常温热机阶段。

步骤a，如果电堆拉载电密在I1升至I2过程中，电堆单片平均电压＜U3，则降低电堆拉载电密至I1，同时监测电堆单片平均电压是否≥U3，若满足，增加电堆拉载电密至I2。该过程电堆拉载电密锯齿形变化，电堆单片平均电压波动上升。直至满足电堆电密I＝I2，且电堆单片平均电压≥U3，等待电堆水出温度≥T1，冷启动结束，系统进入常温热机阶段。

hi在步骤b过程中，降低电堆拉载电密至I1，同时监测电堆单片平均电压是否≥U3，若不满足，继续降低电堆拉载电密至I3，I3＜I1。当电堆拉载电密至I3，监测电堆单片平均电压是否≥U4，若满足，等待电堆水出温度≥T1，冷启动结束，系统进入常温热机阶段。

电堆拉载电密至I3，若监测电堆单片平均电压＜U4，继续降低电堆拉载电密至I4，I4＜I3。

电堆拉载电密至I4，监测电堆单片平均电压是否≥U5，若满足，增加电堆拉载电密至I3，等待电堆单片平均电压≥U4，电堆水出温度≥T1，若满足，冷启动结束，系统进入常温热机阶段。若增加电堆拉载电密至I3过程中，电堆单片平均电压是＜U4，则降低电堆电密至I4。此时电堆拉载电密在I4和I3之间锯齿形变化，等待当I＝I1，电堆平均电压和水温上升满足参数U4和T1，冷启动结束，系统进入常温热机阶段。

电堆拉载电密至I4，监测电堆单片平均电压是否≥U5，若不满足，且超时t8，则说明电堆单片平均电压偏低严重，冷启动失败，急停。

电堆拉载I1后电堆单片平均电压下降，若电堆单片平均电压＜U3，降低电堆电密至I3。

阶段四中，I4＜I3＜I1＜I2；U5＜U4＜U3。阶段四中，设置多级防护，当电堆单片平均电压偏低时，逐级降低拉载电堆电密，降低冷启动过程中系统急停的频率，保护电堆和系统安全可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

在收到冷启动命令后，进入阶段一；

阶段一：开启冷却路PTC和排氢阀加热模式，设定排氢阀开闭时长，设置水泵转速和转停间隔，进入阶段二；

阶段二：等待氢入压力出现波动，设定节气门开度和空压机转速，更改氢入压力，进入阶段三；

阶段三：等待满足氢、空、水和电压参数，闭合母线继电器，设置氢气循环泵转速，设置拉载的电流密度和加减载斜率，进入阶段四；

阶段四：监测电堆单体平均电压，如果触发下限值，则降低设定电流密度，直至触发上限值，再增加电流密度，当电堆水出温度上升至阈值时，冷启动结束。

2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：所述阶段一包括：设定冷却路PTC全开；排氢阀加热开启，排氢阀开闭时长设定t1/t2；设定空压机转速R1、转停时长t3/t4；设定氢入压力P1。

3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：所述阶段二包括：

步骤201，检测氢入压力波动值是否满足P2，若否，当时间＞t5时，启动失败；若是，则步骤202；

步骤202：设定空入节气门开度A％，设定背压节气门开度B％；

步骤203，当节气门反馈位置满足A％和B％时，则设定空压机转速为R2，设定氢入目标压力为P3；若不满足，则当时间＞t6时，启动失败；

步骤204，进入阶段三。

4.根据权利要求3所述的一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：所述阶段三包括：

步骤301，当满足电堆空入压力≥P4、电堆氢入压力≥P5、电堆空入流量≥F1、电堆水入压力≥P6、电堆总电压≥U1、电堆最低单体≥U2时，则闭合继电器，设定氢气循环泵转速R3；若不满足，则当时间＞t6时，启动失败；

步骤302，设定电堆拉载电密I1，设定加载斜率C1，设定降载斜率C2；进入阶段四。

5.根据权利要求4所述的一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，其特征在于：所述阶段四包括：

步骤401，检测是否满足电堆单片平均电压≥U3；若是，则进入步骤402；若否，则降低电堆电密，设定I≥I3；

步骤402，增加电堆电密，设定I≤I2，进入步骤403；

步骤403，当满足电堆电密I＝I2、电堆单片平均电压≥U3、电堆水出温度≥T1时，则冷启动结束，进入常温热机；当满足电堆单片平均电＜U3时，降低电堆电密，设定I≥I1，进入步骤404；

步骤404，检测是否满足电堆单片平均电压≥U3，若是，则进入步骤402；若否，则降低电堆电密，设定I≥I3，进入步骤405或步骤407；

步骤405，当电堆单片平均电压＜U4时，降低电堆电密至I4，进入步骤406；

步骤406，检测是否满足电堆单片平均电压≥U5，若满足，则增加电堆电密，设定I≤I3，进入步骤405；若否，则当时间＞t8时，启动失败；

步骤407，当满足电堆电密I＝I3、电堆单片平均电压≥U4、电堆水出温度≥T1时，则冷启动结束，进入常温热机。

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