CN218825257U - 一种设备控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种设备控制系统，包括用于燃料电池系统的控制板，所述控制板的输入单元与整车端连接，与所述控制板的输出单元与燃料电池、空气压缩机、氢气循环泵连接；所述控制板上仅设有一颗多核DSP,用于运行各控制电路的控制逻辑和/或算法、与数据采集模块实现交互、与功率模块实现交互、与通信模块实现交互；所述控制板上还集成设有与燃料电池连接的升压DC‑DC驱动控制电路、与空气压缩机连接的第一驱动控制电路、与氢气循环泵连接的第二驱动控制电路以及数据采集模块；所述数据采集模块用于为多核DSP提供各种采样信号，包括与燃料电池端连接的EIS采样单元、与温度传感器连接的温度采集单元、与电压采样点或电流采样互感器连接的AD采样及保护电路。

Description

一种设备控制系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是一种设备控制系统。

背景技术

2022年3月23日由国家印发的《规划》中明确了氢的能源属性，强调氢能是未来中国国家能源体系的重要组成部分，要充分发挥氢能清洁低碳的特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业向绿色低碳转型。氢燃料电池技术是氢能利用的其中一种重要形式，具有充氢速度快，零排放无污染的特点。氢燃料电池系统是一个相对复杂的系统，它主要由燃料电池电堆、燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及电源管理与控制系统所组成。主要系统部件有空压机、氢循环泵、增湿器、氢瓶等，这些子系统与燃料电池电堆组成了燃料电池发电系统。

燃料电池发电系统中的电源管理及控制系统主要是对电堆的电源管理、供氧的空压机控制、供氢的氢循环泵控制。电堆的电源管理，主要是将燃料电池输出的不稳定的、变化范围大的电压变换成稳定的电压，为了提高电机效率降低电机发热损耗，通常采用升压DC-DC变换成高压输出。因此，燃料电池的电源管理及控制是整个系统中最重要的一环。

由于空气压缩机、氢气循环泵已是相对完整成熟的产品，有各自的主控制芯片及系统，因此，现有技术大多数应用都是将它们作为独立的控制板，采用分散式布置方式集合到燃料电池系统中。这种布置方式控制复杂，连接线束多而繁杂，同时增加了车身的重量，成本也难以降低。同时，当涉及产品迭代、功能升级时，需要对整个系统进行改造，变动非常大，改造成本高，产品开发周期长等。因此，如何降低燃料电池车用控制板在整车上的体积、重量，以及降低线束布线的复杂度，降低成本，加速产品迭代，是氢燃料电池车所面临的巨大挑战。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供一种设备控制系统，解决现有技术中系统控制复杂，功率提升改造成本高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种设备控制系统，包括用于燃料电池系统的控制板，所述控制板的输入单元与整车端连接，与所述控制板的输出单元与燃料电池、空气压缩机、氢气循环泵连接；所述控制板上仅设有一颗多核DSP, 用于运行各控制电路的控制逻辑和/或算法、与数据采集模块实现交互、与功率模块实现交互、与通信模块实现交互；所述控制板上还集成设有与燃料电池连接的升压DC-DC驱动控制电路、与空气压缩机连接的第一驱动控制电路、与氢气循环泵连接的第二驱动控制电路以及数据采集模块；所述数据采集模块用于为多核DSP提供各种采样信号，包括与燃料电池端连接的EIS采样单元、与温度传感器连接的温度采集单元、与电压采样点或电流采样互感器连接的AD采样及保护电路。

进一步地，所述控制板上设有PWM模块化驱动接口，所述模块化驱动接口与一组DCDC功率模组连接, 所述功率模组采用SiC功率器件实现功率控制。

进一步地，所述驱动接口包括用于支持双向DC-DC转换的拓扑电路，所述拓扑电路包括两个SiC MOS，当所述驱动接口作为升压DC-DC转换器时，所述SiC MOS设为导通。

进一步地，所述控制板上还设有用于提供各种驱动电压的电源管理单元，所述电源管理单元包括用于为驱动功率电路供电的第一电源管理单元，所述第一电源管理单元包括用于输出15V电压的反激拓扑电路，所述反激拓扑电路一端与低压电源电压24V连接，另一端与驱动功率电路连接。

进一步地，所述电源管理单元还包括用于为各控制部分供电的第二电源管理单元，所述第二电源管理单元包括用于输出多种电压的多电压电源电路，所述多电压电源电路一端与低压电源电压24V连接，另一端与DSP连接或采样电路、通讯电路连接。

进一步地，所述控制板上还设有带反馈检测的互锁控制单元，所述互锁控制单元一端连接DSP，用于接收DSP的使能信号以及向DSP传输诊断信号，另一端连接多个互锁单元。

进一步地，所述控制板上设有继电器开关控制单元，所述继电器开关控制单元包括第一开关控制单元和第二开关控制单元，所述第一开关控制单元包括分别与输入电堆端和DCDC变换器连接的三路继电器，用于控制电堆端的通断；所述第二开关控制单元包括分别与DCDC变换器和输出动力电池端的三路继电器，用于控制燃料电池的充放电。

进一步地，所述输入电堆端和DCDC变换器之间设有预充通道；和或，DCDC变换器和输出动力电池端之间设有预充通道，预充通道的两端分别连接至主继电器的两端。

进一步地，所述控制板上设有用于检测采样回路的电流且向DSP输送信号的电流检测单元，所述电流检测单元包括霍尔传感器和驱动电路，所述霍尔传感器与一个通道功率回路连接。

进一步地，所述控制板上设有高压检测单元,高压检测单元包括多个隔离设置的高压检测接口，所述高压检测接口分别与电堆的输出端、驱动输出端与动力电池端连接。

本实用新型的优点是：

（1）高集成度。现有技术中，三个控制器（升压DC-DC驱动控制电路、空气压缩机驱动控制电路和氢泵驱动控制电路）相互独立，各自有自己的控制系统，外部的通讯连接线束复杂，且高低压信号集合在一起，抗干扰性能差。本实用新型的控制电路板将燃料电池的升压DC-DC驱动控制电路、空气压缩机驱动控制电路和氢泵驱动控制电路集成到一块控制电路板（PCB）中，即将低压控制部分集成到一块控制电路板（PCB）上，设计成一个集成式控制电路板，其只用了一套主控制芯片和电源供电，面积可降低至原来总面积的50%-60%，整体BOM物料上，连接线束也更少。

（2）可扩展功能1。燃料电池的升压DC-DC功率部分采用SiC功率器件进行模块化设计，当系统根据需求需要扩展功率时，控制电路板则不需要变更，其为DC-DC驱动提供了N通道PWM驱动接口，（其中：2≤N≤16），可根据不同的电堆系统需求扩展不同的功率等级，扩展功率可达200KW+以上。

（3）可扩展功能2。控制电路板的外围功能电路模块化，核心DSP微控制器可以被替换成其它合适的微控制器方案（比如由美国TI的DSP芯片替换成德国英飞凌的DSP芯片），以应对当前“缺芯”，“少芯”的市场需求，为产品方案替换或平台切换提供快速解决方案，缩短产品开发周期。

（4）系统简化。现有技术中，驱动控制电路多采用一颗单核DSP芯片加一颗FPGA芯片的控制方案，这种应用方案设计复杂，需要FPGA编程资源，且整体成本高昂。而该控制电路板采用一颗高性能的多核DSP即实现对整个系统的各功能控制，简化了系统控制的复杂度；采用各单元集成化设计，控制电路板（PCB）及整机结构尺寸缩小，BOM物料数量减少，连接线束简化，总体成本也相应下降，同时，还能提升系统性能，达到成本与性能的最优化设计。

附图说明

图1为本实用新型中一种控制板的示意图。

图2为本实用新型中一种控制板的部分电路图。

图3为本实用新型中一种控制板的互锁控制单元的示意图。

具体实施方式

在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参照图1所示，一种设备控制系统，包括用于燃料电池系统的控制板，所述控制板的输入单元与整车端连接，与所述控制板的输出单元与燃料电池、空气压缩机、氢气循环泵连接；所述控制板上仅设有一颗多核DSP, 用于运行各控制电路的控制逻辑和/或算法、与数据采集模块实现交互、与功率模块实现交互、与通信模块实现交互；所述控制板上还集成设有与燃料电池连接的升压DC-DC驱动控制电路、与空气压缩机连接的第一驱动控制电路、与氢气循环泵连接的第二驱动控制电路以及数据采集模块；所述数据采集模块用于为多核DSP提供各种采样信号，包括与燃料电池端连接的EIS采样单元、与温度传感器连接的温度采集单元、与电压采样点或电流采样互感器连接的AD采样及保护电路。

现有技术中，三个控制板（升压DC-DC驱动控制电路、空气压缩机驱动控制电路和氢泵驱动控制电路）相互独立，各自有自己的控制系统，外部的通讯连接线束复杂，且高低压信号集合在一起，抗干扰性能差。本实用新型的控制电路板将燃料电池的升压DC-DC驱动控制电路、空气压缩机驱动控制电路和氢泵驱动控制电路集成到一块控制电路板（PCB）中，即将低压控制部分集成到一块控制电路板（PCB）上，设计成一个集成式控制电路板，其只用了一套主控制芯片和电源供电，面积可降低至原来总面积的50%-60%，整体BOM物料上，连接线束也更少。另外，现有技术中，驱动控制电路多采用一颗单核DSP芯片加一颗FPGA芯片的控制方案，这种应用方案设计复杂，需要FPGA编程资源，且整体成本高昂。而该控制电路板采用一颗高性能的多核DSP即实现对整个系统的各功能控制，简化了系统控制的复杂度；采用各单元集成化设计，控制电路板（PCB）及整机结构尺寸缩小，BOM物料数量减少，连接线束简化，总体成本也相应下降，同时，还能提升系统性能，达到成本与性能的最优化设计。同时，控制电路板的外围功能电路模块化，核心DSP微控制板可以被替换成其它合适的微控制板方案（比如由美国TI的DSP芯片替换成德国英飞凌的DSP芯片），以应对当前“缺芯”，“少芯”的市场需求，为产品方案替换或平台切换提供快速解决方案，缩短产品开发周期。

进一步地，所述控制板上设有PWM模块化驱动接口，所述模块化驱动接口与一组DCDC功率模组连接, 所述功率模组采用SiC功率器件实现功率控制。采用上述技术方案，控制板可以提供N通道PWM模块化驱动接口连接DC-DC驱动模组，根据不同的电堆系统需求可以扩展不同的功率等级。优选的，所述功率模组采用SiC功率器件。采用上述技术方案，燃料电池的升压DC-DC功率部分采用SiC功率器件进行模块化设计，当系统根据需求需要扩展功率时，控制电路板则不需要变更，其为DC-DC驱动提供了N通道PWM驱动接口，（其中：2≤N≤16），可根据不同的电堆系统需求扩展不同的功率等级，扩展功率可达200KW+以上。

如图2所示，一个标准的通道模块化驱动接口除电源及DSP控制信号外，还包括有燃料电池电压采集信号、DC输出电流采集信号、功率驱动控制信号及功率转换装置。通过这种通道模块化的设计，在最大兼容设计上提高系统功率密度，并向下兼容地拓展产品的功率等级。通过这种独特模块化设计，可快速响应不同客户的系统应用需求，完成系列产品化设计，同时加快产品研发迭代进度，保持产品不断创新的优势。

进一步地，所述驱动接口包括用于支持双向DC-DC转换的拓扑电路，所述拓扑电路包括两个SiC MOS，当所述驱动接口作为升压DC-DC转换器时，所述SiC MOS设为导通。如图2所示，在作为升压DC-DC转换器时，其Q3,Q4这两个SiC MOS被设置为导通模式，可视为一个二极管的作用。功率模组所使用SiC功率器件相较于传统MOS或IGBT有更低的阻抗、更高的工作频率、更低的死区时间、更好的温度特性，在大功率大电流的应用中，可实现更小的产品尺寸和更高的工作效率，更高的可靠性。

进一步地，所述控制板上还设有用于提供各种驱动电压的电源管理单元，所述电源管理单元包括用于为驱动功率电路供电的第一电源管理单元，所述第一电源管理单元包括用于输出15V电压的反激拓扑电路，所述反激拓扑电路一端与低压电源电压24V连接，另一端与驱动功率电路连接。采用上述技术方案，连接整车端KL15点火使能后，将连接至低压24V电源电压输入到反激拓扑电源变换电路并输出稳压15V电压，然后15V电压在驱动控制板上进行一次隔离变换处理，实现高压侧与低压侧的电气隔离，然后将这个隔离后的15V电压给高压侧碳化硅(SiC)的驱动功率电路供电。这种独立供电模式相较于传统同类产品采用多输出电源方案，这种独立电源的电源动态负载调整率更好，同时也可有效避免将高压侧的高频干扰源引入控制板中，使控制板的EMC性能更好，减少系统故障的发生。

进一步地，所述电源管理单元还包括用于为各控制部分供电的第二电源管理单元，所述第二电源管理单元包括用于输出多种电压的多电压电源电路，所述多电压电源电路一端与低压电源电压24V连接，另一端与DSP连接或采样电路、通讯电路连接。采用上述技术方案，DSP处理器控制部分的供电由一种多输出电压的安全电源（PMIC）电路提供，这种电路有多个独立的电压基准用于产生各种输出电源及监测，具有过压、压欠保护和故障监测，同时内部具有功能看门狗、窗口看门狗、功能安全状态控制输出及内嵌自检功能，符合汽车功能安全ASILD等级相关要求。具体地，PMIC多电压电源电路可变换输出一路稳定的中间电压5.8V，然后连接外置小型BUCK电路即可给DSP内核供电1.8V电压；多电压电源电路同时还可以输出稳定的5V给DSP微处理的IO口供，输出精度为0.1%的参考5V电压给DSP微处理的ADC采样电路供电，输出负载150mA的稳压5V给通讯功能电路供电，另外还提供两路5V负载150mA的电源给外接传感器供电。另外，多电压电源驱动还提供一路独立的待机5V供电，用于连接DSP微处理器的待机接口，即可实现在系统待机时，关掉主功率控制部分的电路，实现系统低功耗设计。相较于同类产品的微处理器电源方案中，DSP的内核供电与IO口供电，通信接口供电，还有待机供电等，通常会面临各电源间的时序处理问题，往往需要增加若干时序电路的铺助调试，增加了电路的复杂，尤其是应对复杂的汽车多功能应用条件下，是一个设计技术难点；而采用本控制板中这种多电压电源电路给控制板供电的方案，可最大化的简化控制板电源的复杂度，时序处理简单，减少出错概率。同时，本应用方案符合功能安全设计要求，产品满足ASIL D等级要求，而同类产品基本上还停留在满足ASIL B等级要求的设计上。

进一步地，所述控制板上还设有带反馈检测的互锁控制单元，所述互锁控制单元一端连接DSP，用于接收DSP的使能信号以及向DSP传输诊断信号，另一端连接多个互锁单元。由于PWM的互锁诊断、不同节点的互锁断开或短路的故障诊断一直是汽车零部件产品的设计难点，尤其是在低温-40°C、高温85°C、电压跌落等恶劣条件下，时常会发生错报、误报的情况，给产品带来不可控的安全风险。如图3，该控制板上的互锁控制单元一端连接DSP使能与诊断信号，另一端连接多个互锁单元。控制单元内包含有驱动电路、检测电路和EMI滤波电路。采用上述技术方案，通过采样互锁单元中主回路的电流大小，将采样AD值反馈回DSP进行运算来判别互锁电路的工作状态，可有效识别互锁开路或短路的状态，实现控制与反馈的闭环检测。这种控制方式相较于同类不带反馈检测或简单反馈的产品，互锁性能更可靠，安全性更高。

进一步地，所述控制板上设有继电器开关控制单元，所述继电器开关控制单元包括第一开关控制单元和第二开关控制单元，所述第一开关控制单元包括分别与输入电堆端和DCDC变换器连接的三路继电器，用于控制电堆端的通断；所述第二开关控制单元包括分别与DCDC变换器和输出动力电池端的三路继电器，用于控制燃料电池的充放电。

进一步地，所述输入电堆端和DCDC变换器之间设有预充通道，和或，DCDC变换器和输出动力电池端之间设有预充通道，预充通道的两端分别连接至主继电器的两端。其中，输入、输出端各有一路预充通道，加入预充通道，是为了让系统上电过程中，主继电器（电堆正极继电器）先断开，预充继电器和预充电阻构成的预充通道先接通，预充通道以较小的预充电流给后端大容量电容C1、C2充电，这样做不但可以满足预充通道的安全平滑，同时可以避免瞬间大电流甚至短路对主继电器的冲击，从而提高主继电器的使用寿命或避免损坏。由于电堆输出电压较高，在系统上电瞬间，若没有加入预充，继电器导通瞬间接触电阻非常小，根据欧姆定律可知，回路中电压越高，而阻抗越小，则流过回路电流就越大，尤其在瞬间上电过程，会形成上万安倍的大电流，足以将主继电器损坏。在前、后两端都增加预充回路的这种设计，不但保护了继电器，同时更小的瞬态电流也提升了氢燃料电堆、充电电容、动力电池的寿命。

进一步地，所述控制板上设有用于检测采样回路的电流且向DSP输送信号的电流检测单元，所述电流检测单元包括霍尔传感器和驱动电路，一个霍尔传感器与一个通道功率回路连接。采用上述技术方案，一组电流传感器被连接到一个通道功率回路中，实时检测采样回路的电流，并把采样电流值送回DSP处理器中，将多组电流传感器采集到的数据在DSP处理器中运算。这样每组电流单独采样，然后加权计算得到的最终电流值，精度更高而失真偏差更小。间接实现大电流的精确检测及过流保护检测，同时还实现原副边磁隔离的功能。

进一步地，所述控制板上设有高压检测单元,高压检测单元包括多个隔离设置的高压检测接口，所述高压检测接口分别连接到电堆的输出端、驱动输出端与动力电池端。具体地，高压检测单元由电阻分压器、高精度隔离运放组成。通过独立的区域设计，高压检测接口分别连接到电堆的输出端、驱动输出与动力电池端口，可实现将系统中不同共模电平运行的器件之间的隔离电路设计，可保护低压器件免受瞬态高电压冲击。

综上所述，本实用新型的有益效果主要体现在集成度、可扩展性、系统简化等方面。具体有如下几点：

（1）高集成度。现有技术中，三个控制器（升压DC-DC驱动控制电路、空气压缩机驱动控制电路和氢泵驱动控制电路）相互独立，各自有自己的控制系统，外部的通讯连接线束复杂，且高低压信号集合在一起，抗干扰性能差。本实用新型的控制电路板将燃料电池的升压DC-DC驱动控制电路、空气压缩机驱动控制电路和氢泵驱动控制电路集成到一块控制电路板（PCB）中，即将低压控制部分集成到一块控制电路板（PCB）上，设计成一个集成式控制电路板，其只用了一套主控制芯片和电源供电，面积可降低至原来总面积的50%-60%，整体BOM物料上，连接线束也更少。

（2）可扩展功能1。燃料电池的升压DC-DC功率部分采用SiC功率器件进行模块化设计，当系统根据需求需要扩展功率时，控制电路板则不需要变更，其为DC-DC驱动提供了N通道PWM驱动接口，（其中：2≤N≤16），可根据不同的电堆系统需求扩展不同的功率等级，扩展功率可达200KW+以上。

（3）可扩展功能2。控制电路板的外围功能电路模块化，核心DSP微控制器可以被替换成其它合适的微控制器方案（比如由美国TI的DSP芯片替换成德国英飞凌的DSP芯片），以应对当前“缺芯”，“少芯”的市场需求，为产品方案替换或平台切换提供快速解决方案，缩短产品开发周期。

（4）系统简化。现有技术中，驱动控制电路多采用一颗单核DSP芯片加一颗FPGA芯片的控制方案，这种应用方案设计复杂，需要FPGA编程资源，且整体成本高昂。而该控制电路板采用一颗高性能的多核DSP即实现对整个系统的各功能控制，简化了系统控制的复杂度；采用各单元集成化设计，控制电路板（PCB）及整机结构尺寸缩小，BOM物料数量减少，连接线束简化，总体成本也相应下降，同时，还能提升系统性能，达到成本与性能的最优化设计。

上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种设备控制系统，其特征在于，包括用于燃料电池系统的控制板，所述控制板的输入单元与整车端连接，与所述控制板的输出单元与燃料电池、空气压缩机、氢气循环泵连接；所述控制板上仅设有一颗多核DSP, 用于运行各控制电路的控制逻辑和/或算法、与数据采集模块实现交互、与功率模块实现交互、与通信模块实现交互；所述控制板上还集成设有与燃料电池连接的升压DC-DC驱动控制电路、与空气压缩机连接的第一驱动控制电路、与氢气循环泵连接的第二驱动控制电路以及数据采集模块；所述数据采集模块用于为多核DSP提供采样信号，包括与燃料电池端连接的EIS采样单元、与温度传感器连接的温度采集单元、与电压采样点或电流采样互感器连接的AD采样及保护电路。

2. 根据权利要求1所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述控制板上设有PWM模块化驱动接口，所述模块化驱动接口与一组DCDC功率模组连接, 所述功率模组采用SiC功率器件实现功率控制。

3. 根据权利要求2所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述驱动接口包括用于支持双向DC-DC转换的拓扑电路，所述拓扑电路包括两个SiC MOS，当所述驱动接口作为升压DC-DC转换器时，所述SiC MOS设为导通。

4.根据权利要求1所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述控制板上还设有用于提供驱动电压的电源管理单元，所述电源管理单元包括用于为驱动功率电路供电的第一电源管理单元，所述第一电源管理单元包括用于输出15V电压的反激拓扑电路，所述反激拓扑电路一端与低压电源电压24V连接，另一端与驱动功率电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述电源管理单元还包括用于为各控制部分供电的第二电源管理单元，所述第二电源管理单元包括用于输出多种电压的多电压电源电路，所述多电压电源电路一端与低压电源电压24V连接，另一端与DSP连接或采样电路、通讯电路连接。

6.根据权利要求1所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述控制板上还设有带反馈检测的互锁控制单元，所述互锁控制单元一端连接DSP，用于接收DSP的使能信号以及向DSP传输诊断信号，另一端连接多个互锁单元。

7.根据权利要求1所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述控制板上设有继电器开关控制单元，所述继电器开关控制单元包括第一开关控制单元和第二开关控制单元，所述第一开关控制单元包括分别与输入电堆端和DCDC变换器连接的三路继电器，用于控制电堆端的通断；所述第二开关控制单元包括分别与DCDC变换器和输出动力电池端的三路继电器，用于控制燃料电池的充放电。

8.根据权利要求7所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述输入电堆端和DCDC变换器之间设有预充通道；和或，DCDC变换器和输出动力电池端之间设有预充通道，预充通道的两端分别连接至主继电器的两端。

9.根据权利要求1所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述控制板上设有用于检测采样回路的电流且向DSP输送信号的电流检测单元，所述电流检测单元包括霍尔传感器和驱动电路，所述霍尔传感器与一个通道功率回路连接。

10.根据权利要求1所述的一种设备控制系统，其特征在于，所述控制板上设有高压检测单元,高压检测单元包括多个隔离设置的高压检测接口，所述高压检测接口分别与电堆的输出端、驱动输出端与动力电池端连接。

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