CN114865747A - 一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于储能电池领域,公开了一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,本发明根据功率调度指令确定储能电池簇的充放电状态,通过各个储能电池簇的荷电状态、充放电限制功率和功率调度指令值,实时预估在线均衡时间,通过在线均衡时间实时计算各储能电池簇的充电功率或放电功率,并将各个储能电池簇功率调度指令下发给各自储能电池簇的功率变换器,各自功率变换器控制各自储能电池簇充电或者放电。该发明考虑电池簇的充放电限制功率,即充放电倍率的影响,使储能电池簇荷电状态在功率调度过程中实现在线均衡功能。
Description
技术领域
本发明属于储能电池技术领域,尤其涉及一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法。
背景技术
目前,在电动汽车、多电飞机和储能领域,储能技术是新能源技术中最重要的一个环节,其中,高能量密度的锂离子电池的越来越受到人们的关注。由于锂电池的单体电压、电流较低,往往达不到需求,因此锂离子电池电芯可以通过串并联设计为锂电池组,根据目标需求,锂电池组再通过串并联组成电池簇,电池簇后接功率变换器以获得理想的驱动电压和功率。
然而,随着电池单体在制造、装配、运输、静置、使用过程中由于电池参数如容量,内阻存在差异,使单体电压失衡,电池成组和成簇之后的不一致性问题将更加突出。一般电池组和电池堆在出厂后会进行一致性检测,对各部分电池进行容量均衡。但是电池组和电池簇在使用过程中,由于变换器效率、内阻等各种原因,不均衡问题仍会慢慢显现。如果不加以管控,电池组、电池簇的不一致性将影响电池组的充放电容量,更容易对荷电状态较小的电池过放,对荷电状态高的电池过充,这样更加剧了电池组内的不均衡性,从而导致储能电池安全性降低,循环寿命减少,甚至引发安全问题。因此有效的均衡技术可以延长电池使用寿命,提高电池的安全性。
当前均衡技术分类包括被动均衡和主动均衡,通过能量耗散或者外接功率器件给组内电池补电称为被动均衡,通过电池组内电池能量转移的而实现的均衡称为主动均衡。被动均衡的方式包括电阻耗散式均衡、单体补电式均衡。主动均衡方式可以分为电容式、电感式和变压器式均衡。
被动均衡方式结构简单,易于实现且成本较低,然而,不均衡的电能被消耗在电阻上,造成能量浪费,导致系统的能量利用率降低,而且存在均衡电流小、效率低、均衡时间长等问题,难以满足高效快速均衡的需求。主动均衡由于其发热少、效率高等优势,正逐步得到学术界和工业界越来越多的关注。然而当前储能电池均衡研究多为在单体电芯之间、串并联模组之间,针对含有功率变换器的电池簇之间的均衡较少研究,而且由于大型功率电站或者一致性要求比较高的航空储能在发生不均衡时,将影响调度指令的执行,因此这方面更需要值得研究。
目前,对于储能电池簇荷电状态在线均衡技术,已有多篇学术论文进行分析并提出解决方案,例如:
1、题为(“锂离子电池荷电状态及主动均衡技术研究”,茅晓怡,2020年5月)利用电感的储能特性实现电池间的电量均衡,采用脉宽调制(PWM)方式控制开关管,以电池间的电压差为依据控制开关管通断时间的长短,设计了一种基于分布式储能的锂离子电池组分层均衡电路,既实现了电池电量的均衡,又缩短了均衡时间。但是算法需要额外的硬件电路,此外,该策略仅能实现电池组间均衡,无法应用于电池簇的动态均衡。
2、题为(“锂电池主动均衡管理与效率优化”,桂涵东,2016年3月)文章提出了一种分层均衡架构,将串联锂电池组进行再分组,底层采用传统A-C2C结构,顶层与各电池包相连,并利用多向多端口变换器构成顶层均衡电路。所提架构能够实现不同电池包的能量解耦,避免了均衡过程中的反复充放电问题,有利于延长电池寿命,提升电池健康状态(SOH)。此外,所提架构能够降低系统内均衡电路所需的额定电流,从而降低成本,提高系统效率。但是文章存在以下不足:该文仅考虑单串联电池组之间电压均衡,未考虑多组串并联结构对均衡的影响,而且,精准的均衡需要额外附加复杂的硬件电路实现。
3、题为(“动力电池组分布式在线主动均衡控制系统研究”,葛高瑞,2020年6月)文章中提出了一种充/放电模式下主动均衡控制方法,依据单体SOC与平均SOC偏差,放电模式下通过调整母线电压调节系数及均衡加速系数,在保证母线电压稳定的前提下,可实现对动力电池组放电速率的调整;在充电模式下对充电均衡加速系数进行调整,实现了充电速率的调节。针对动力电池组均衡速率较慢问题,提出了一种均衡加速度系数自适应调整均衡方法,在充/放电模式下,单体组间依据自身SOC差异对均衡加速系数进行调整,实现充/放电电流的自适应调节,完成了对动力电池组的高效均衡管理。但是该方法仍需要额外的硬件电路,算法运算量也较大。
发明内容
发明目的:针对大型储能电站或者一致性要求比较高的航空储能等含有功率变换器的电池簇,在上层调度指令过程中的在线均衡研究较少,影响功率调度及电池寿命、安全,提供一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,本方法根据功率调度指令确定储能电池簇的充放电状态,通过各组储能电池簇的荷电状态、充放电限制功率和功率调度指令值在线实时计算各储能电池簇的充电功率或放电功率,实时预估在线均衡时间。该方法考虑电池簇的充放电限制功率,即充放电倍率的影响,实现储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡功能。
本发明的技术方案是:
一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,具体步骤如下:
步骤S1:获取储能电站中储能电池簇的容量Srate,储能电池簇的数目n,储能电站功率调度指令Pref;
分别获取第x组储能电池簇各自的荷电状态socx、充电限制功率Plimc_x、放电限制功率Plimd_x;
其中,Plimc_x≥0,Plimd_x≥0,socx∈[0,1],n≥2且n为正整数,x为正整数且x∈[1,n];步骤S2:根据步骤S1获得的储能电站功率调度指令Pref,判断储能电站的状态标志位flagstate;
状态标志位判断方法如下所示:
其中,flagstate=1为储能电池处于放电状态,若flagstate=1则执行步骤S3-S5;flagstate=0为储能电池处于充电状态,若flagstate=0则执行步骤S6-S8;
步骤S4:计算储能电池簇放电状态均衡时间TBalancedDischarge;
步骤S5:计算第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx,执行步骤S9;
步骤S7:计算储能电池簇充电状态均衡时间TBalancedCharge;
步骤S8:计算第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx,执行步骤S9;
步骤S9:根据第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx和/或第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx得到第x组储能电池簇的功率调度指令Prefx;
根据放电状态功率均衡时间TBalancedDischarge和充电状态功率均衡时间TBalancedCharge得到储能电池簇荷电状态均衡时间TBalancedSOC;
步骤S10:将第x组储能电池簇功率调度指令Prefx下发给第x组储能电池簇的功率变换器,第x组储能电池簇的功率变换器控制第x组储能电池簇充电或者放电。
优选的,所述步骤S4中,储能电池簇放电状态均衡时间TBalancedDischarge计算步骤如下:
步骤S41,分别计算第x组储能电池簇放电状态最小均衡时间TminDisc_x:
其中,m为正整数且m∈[1,n],ΔP为防止除数为零的偏置功率,一般地,ΔP∈(-∞,1];
步骤S42,计算放电状态最小均衡时间TminBalancedDischarge:
TminBalancedDischarge=max(0,TminDisc_1,…,TminDisc_n);
步骤S43,分别计算第x组储能电池簇放电状态最大均衡时间TmaxDisc_x,
其中,TmaxD为常数,此处取值为TminDisc_x所选数据类型的最大值;
步骤S44,计算放电状态最大均衡时间TmaxBalancedDischarge:
TmaxBalancedDischarge=min(TmaxDisc_1,…,TmaxDisc_n)
步骤S45,放电状态主动均衡标志位flagDisBalance:
步骤S46,计算放电状态均衡时间TBalancedDischarge:
其中,ΔT为充放电状态均衡时间偏置值,一般地,ΔT∈(-∞,1],TmaxD为常数,此处取值为TBalancedDischarge所选数据类型的最大值。
优选的,所述步骤S5中,第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx计算步骤如下:
步骤S52,计算第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx:
步骤S61,计算总充电限制功率Plimc:
优选的,所述步骤S7中,储能电池簇充电状态均衡时间TBalancedCharge计算步骤如下:
步骤S71:分别计算第x组储能电池簇充电状态最小均衡时间TminC_x:
步骤S72,计算充电状态最小均衡时间TminBalancedCharge:
TminBalancedCharge=max(0,TminC_1,…,TminC_n);
步骤S73,分别计算第x组储能电池簇充电状态最大均衡时间TmaxC_x:
其中,TmaxC为常数,此处取值为TminC_x所选数据类型的最大值;
步骤S74,计算充电状态最大均衡时间TmaxBalancedDischarge:
TmaxBalancedDischarge=min(TmaxDisc_1,…,TmaxDisc_n);
步骤S75,计算充电状态主动均衡标志位flagCBalance:
步骤S76,计算充电状态均衡时间TBalancedCharge:
其中,ΔT为充放电状态均衡时间偏置值,TmaxC为常数,此处取值为TBalancedCharge所选数据类型的最大值。
优选的,所述步骤S8中,第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx计算步骤如下:
步骤S82,计算第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx:
优选的,所述步骤S9中,第x组储能电池簇的功率调度指令Prefx计算公式如下:
优选的,所述步骤S9中,储能电池簇荷电状态均衡时间TBalancedSOC:
有益效果:本发明公开的储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,与现有的储能电池荷电状态在线均衡方法相比,其有益效果体现在:
现有当前储能电池均衡研究多为在单体电芯之间、串并联模组之间,针对含有功率变换器的电池簇之间较少研究,而且由于大型功率电站或者一致性要求比较高的航空储能在发生不均衡时,将影响调度指令的执行。本方法首先根据储能电站功率调度指令确定充电状态和放电状态,并根据充放电状态、充放电限制功率与当前各储能电池簇的荷电状态,计算当前允许的最短充放电状态均衡时间,假定在此段时间内储能电站功率调度指令保持不变,则在这段时间内的充放电能量与各个储能电池簇自身能量之和为需要分配的总能量,且最短充放电状态均衡时间之后,各个储能电池簇的能量一致,由此计算各个储能电池簇功率调度指令,将其作为下发指令值。如果此段时间内储能电站功率调度指令改变,则最短充放电状态均衡时间实时改变,各个储能电池簇功率调度指令也实时更新。本方法考虑电池簇的充放电限制功率,即充放电倍率的影响,根据储能电站功率调度指令、各组储能电池簇的荷电状态、充放电限制功率在线实时计算各储能电池簇的充电功率或放电功率,实时预估在线均衡时间。该方法实现储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡功能。
1、本控制方法在原有电路拓扑上做算法改进,不需要额外的硬件电路;
2、本控制方法可以用于大型储能电站或者一致性要求较高的储能电池簇场景;
3、本控制方法适用于含有功率变换器的并联电池簇的SOC均衡;
4、本控制方法实时性强,精度高,可以在功率调度过程中实现充电均衡和放电均衡;
5、本控制方法可以根据储能电站功率调度指令确定充电均衡或放电均衡状态,实时预估在线均衡时间,并根据在线均衡时间计算各个储能电池簇下发的功率指令值。
6、本控制方法可以适用于直直变换器或直交变换器。
附图说明
图1为本发明实施例电机系统结构图。
图2为本发明实施例储能电池簇功率调度主动均衡控制流程图。
图3为本发明实施例放电状态均衡时间图。
图4为本发明实施例放电状态电池簇SOC状态和功率调度指令图。
图5为本发明实施例放电状态功率调度指令下发值和实际值对比。
图6为本发明实施例充电状态均衡时间图。
图7为本发明实施例充电状态电池簇SOC状态和功率调度指令图。
图8为本发明实施例充电状态功率调度指令下发值和实际值对比。
具体实施方式
本部分是本发明的实施例,用于解释和说明本发明的技术方案。
图1为本发明实施例储能系统结构图。
图2为本发明实施例储能电池簇功率调度主动均衡控制流程图。本发明控制方法的步骤如下:
一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,其特征在于,储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法的步骤如下:
步骤S1:获取储能电站中储能电池簇的容量Srate,储能电池簇的数目n,储能电站功率调度指令Pref;
分别获取第x组储能电池簇各自的荷电状态socx、充电限制功率Plimc_x、放电限制功率Plimd_x;
其中,Plimc_x≥0,Plimd_x≥0,socx∈[0,1],n≥2且n为正整数,x为正整数且x∈[1,n];
本实施例中,储能电站中储能电池簇的容量均为Srate=270V·Ah,储能电池簇的数目n=3,3组储能电池簇的荷电状态soc1=68%,soc2=66.8%,soc3=67.5%以及3组储能电池簇的充电限制功率Plimc_1=Plimc_2=Plimc_n=5400W、放电限制功率Plimd_1=Plimd_2=Plimd_3=5400W。
步骤S2:根据步骤S1获得的储能电站功率调度指令Pref,判断储能电站的状态标志位flagstate;
状态标志位判断方法如下所示:
其中,flagstate=1为储能电池处于放电状态,若flagstate=1则执行步骤S3-S5;flagstate=0为储能电池处于充电状态,若flagstate=0则执行步骤S6-S8;
步骤S4:计算储能电池簇放电状态均衡时间TBalancedDischarge;
在一些可选实施方式中,所述步骤S4中,储能电池簇放电状态均衡时间TBalancedDischarge计算步骤如下:
步骤S41,分别计算第x组储能电池簇放电状态最小均衡时间TminDisc_x:
其中,m为正整数且m∈[1,n],ΔP为防止除数为零的偏置功率,一般地,ΔP∈(-∞,1],本实施例中,ΔP=0.001W;
步骤S42,计算放电状态最小均衡时间TminBalancedDischarge:
TminBalancedDischarge=max(0,TminDisc_1,…,TminDisc_n);
步骤S43,分别计算第x组储能电池簇放电状态最大均衡时间TmaxDisc_x,
其中,TmaxD为常数,此处取值为TminDisc_x所选数据类型的最大值,本实施例中,TminDisc_x为无符号十六进制数据格式,则TmaxD取无符号十六进制数0xFFFF;
步骤S44,计算放电状态最大均衡时间TmaxBalancedDischarge:
TmaxBalancedDischarge=min(TmaxDisc_1,…,TmaxDisc_n)
步骤S45,放电状态主动均衡标志位flagDisBalance:
步骤S46,计算放电状态均衡时间TBalancedDischarge:
其中,ΔT为充放电状态均衡时间偏置值,一般地,ΔT∈(-∞,1],TmaxD为常数,此处取值为TBalancedDischarge所选数据类型的最大值,本实施例中ΔT=0.001s,TBalancedDischarge为无符号十六进制数据格式,则TmaxD取无符号十六进制数0xFFFF。
步骤S5:计算第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx,执行步骤S9;
在一些可选实施方式中,所述步骤S5中,第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx计算步骤如下:
步骤S52,计算第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx:
步骤S61,计算总充电限制功率Plimc:
步骤S7:计算储能电池簇充电状态均衡时间TBalancedCharge;
在一些可选实施方式中,所述步骤S7中,储能电池簇充电状态均衡时间TBalancedCharge计算步骤如下:
步骤S71:分别计算第x组储能电池簇充电状态最小均衡时间TminC_x:
步骤S72,计算充电状态最小均衡时间TminBalancedCharge:
TminBalancedCharge=max(0,TminC_1,…,TminC_n);
步骤S73,分别计算第x组储能电池簇充电状态最大均衡时间TmaxC_x:
其中,TmaxC为常数,此处取值为TminC_x所选数据类型的最大值,本实施例中,TminC_x为无符号十六进制数据格式,则TmaxC取无符号十六进制数0xFFFF;
步骤S74,计算充电状态最大均衡时间TmaxBalancedDischarge:
TmaxBalancedDischarge=min(TmaxDisc_1,…,TmaxDisc_n);
步骤S75,计算充电状态主动均衡标志位flagCBalance:
步骤S76,计算充电状态均衡时间TBalancedCharge:
其中,ΔT为充放电状态均衡时间偏置值,TmaxC为常数,此处取值为TBalancedCharge所选数据类型的最大值,本实施例中,ΔT=0.001s,TBalancedCharge为无符号十六进制数据格式,则TmaxC取无符号十六进制数0xFFFF。
步骤S8:计算第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx,执行步骤S9;
在一些可选实施方式中,所述步骤S8中,第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx计算步骤如下:
步骤S82,计算第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx:
步骤S9:根据第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx和/或第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx得到第x组储能电池簇的功率调度指令Prefx;
在一些可选实施方式中,所述步骤S9中,第x组储能电池簇的功率调度指令Prefx计算公式如下:
根据放电状态功率均衡时间TBalancedDischarge和充电状态功率均衡时间TBalancedCharge得到储能电池簇荷电状态均衡时间TBalancedSOC;
在一些可选实施方式中,所述步骤S9中,储能电池簇荷电状态均衡时间TBalancedSOC:
步骤S10:将第x组储能电池簇功率调度指令Prefx下发给第x组储能电池簇的功率变换器,第x组储能电池簇的功率变换器控制第x组储能电池簇充电或者放电。
图3至图5为放电状态下储能电站各参数的仿真波形。储能电站上层系统运行储能电池簇功率调度主动均衡方法。
图3为本发明实施例放电状态下均衡时间,在0.2s之前,预计均衡时间达到260s,在0.2s后,预计均衡时间达到2s以内,在0.4s预计均衡时间为0.8s,在0.6s预计均衡时间为0.4s,最终在1s之前各电池簇荷电状态达到均衡。
图4为本发明实施例放电状态电池簇SOC状态和功率调度指令图,在0.2s之前,荷电状态均衡程度很小,三个功率指令偏差较小,随后随着上层功率调度指令变化三个功率指令偏差逐渐增大,三个SOC逐渐均衡,在0.95s之后SOC逐渐均衡。
图5为本发明实施例放电状态功率调度指令下发值和实际值对比,在0.2s之前,由于储能电站功率调度指令下发值大于储能电池簇允许放电值,因此功率调度指令下发值和实际值有偏差,随后完全一致。
图6至图8为充电状态下储能电站各参数的仿真波形,储能电站上层系统运行储能电池簇功率调度主动均衡方法。
图6为本发明实施例充电状态下均衡时间,在0.2s之前,预计均衡时间达到260s,在0.2s后,预计均衡时间达到1.85s,在0.4s预计均衡时间为0.85s,在0.6s预计均衡时间为0.4s,最终在1s之前各电池簇荷电状态达到均衡。
图7为本发明实施例充电状态电池簇SOC状态和功率调度指令图,在0.2s之前,荷电状态均衡程度很小,三个功率指令偏差较小,随后随着上层功率调度指令变化三个功率指令偏差逐渐增大,三个SOC逐渐均衡,在0.95s之后SOC逐渐均衡。
图8为本发明实施例充电状态功率调度指令下发值和实际值对比,在0.2s之前,由于储能电站功率调度指令下发值大于储能电池簇允许充电值,因此功率调度指令下发值和实际值有偏差,随后完全一致。
Claims (9)
1.一种储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:
步骤S1:获取储能电站中储能电池簇的容量Srate,储能电池簇的数目n,储能电站功率调度指令Pref;
分别获取第x组储能电池簇各自的荷电状态socx、充电限制功率Plimc_x、放电限制功率Plimd_x;
其中,Plimc_x≥0,Plimd_x≥0,socx∈[0,1],n≥2且n为正整数,x为正整数且x∈[1,n];
步骤S2:根据步骤S1获得的储能电站功率调度指令Pref,判断储能电站的状态标志位flagstate;若flagstate=1则执行步骤S3-S5;若flagstate=0则执行步骤S6-S8;
步骤S4:计算储能电池簇放电状态均衡时间TBalancedDischarge;
步骤S5:计算第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx,执行步骤S9;
步骤S7:计算储能电池簇充电状态均衡时间TBalancedCharge;
步骤S8:计算第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx,执行步骤S9;
步骤S9:根据第x组储能电池簇放电状态功率调度指令Pdischarge_refx和/或第x组储能电池簇充电状态功率调度指令Pcharge_refx得到第x组储能电池簇的功率调度指令Prefx;
根据放电状态功率均衡时间TBalancedDischarge和充电状态功率均衡时间TBalancedCharge得到储能电池簇荷电状态均衡时间TBalancedSOC;
步骤S10:将第x组储能电池簇功率调度指令Prefx下发给第x组储能电池簇的功率变换器,第x组储能电池簇的功率变换器控制第x组储能电池簇充电或者放电。
3.根据权利要求2所述的储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,其特征在于:所述步骤S4中,储能电池簇放电状态均衡时间TBalancedDischarge计算步骤如下:
步骤S41,分别计算第x组储能电池簇放电状态最小均衡时间TminDisc_x:
其中,m为正整数且m∈[1,n],ΔP为防止除数为零的偏置功率,一般地,ΔP∈(-∞,1];
步骤S42,计算放电状态最小均衡时间TminBalancedDischarge:
TminBalancedDischarge=max(0,TminDisc_1,…,TminDisc_n);
步骤S43,分别计算第x组储能电池簇放电状态最大均衡时间TmaxDisc_x,
其中,TmaxD为常数,此处取值为TminDisc_x所选数据类型的最大值;
步骤S44,计算放电状态最大均衡时间TmaxBalancedDischarge:
TmaxBalancedDischarge=min(TmaxDisc_1,…,TmaxDisc_n)
步骤S45,放电状态主动均衡标志位flagDisBalance:
步骤S46,计算放电状态均衡时间TBalancedDischarge:
其中,ΔT为充放电状态均衡时间偏置值,一般地,ΔT∈(-∞,1],TmaxD为常数,此处取值为TBalancedDischarge所选数据类型的最大值。
6.根据权利要求5所述的储能电池簇荷电状态功率调度在线均衡方法,其特征在于:所述步骤S7中,储能电池簇充电状态均衡时间TBalancedCharge计算步骤如下:
步骤S71:分别计算第x组储能电池簇充电状态最小均衡时间TminC_x:
步骤S72,计算充电状态最小均衡时间TminBalancedCharge:
TminBalancedCharge=max(0,TminC_1,…,TminC_n);
步骤S73,分别计算第x组储能电池簇充电状态最大均衡时间TmaxC_x:
其中,TmaxC为常数,此处取值为TminC_x所选数据类型的最大值;
步骤S74,计算充电状态最大均衡时间TmaxBalancedDischarge:
TmaxBalancedDischarge=min(TmaxDisc_1,…,TmaxDisc_n);
步骤S75,计算充电状态主动均衡标志位flagCBalance:
步骤S76,计算充电状态均衡时间TBalancedCharge:
其中,ΔT为充放电状态均衡时间偏置值,TmaxC为常数,此处取值为TBalancedCharge所选数据类型的最大值。
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