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TECHNISCHES GEBIET
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Dieses
Dokument bezieht sich allgemein auf Leistungsmodule wie zum Beispiel
jene, die in Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen verwendet werden. Insbesondere
beschreibt dieses Dokument Systeme und Verfahren zum Schätzen
der Temperatur von Komponenten, die in Leistungsmodulen während
des Betriebs des Fahrzeugs verwendet werden.
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HINTERGRUND
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In
den letzten Jahren werden so genannte ”Hybrid-Fahrzeuge” immer
beliebter. Diese Fahrzeuge ergänzen typischerweise die
Leistung, die von einem konventionellen Verbrennungsmotor generiert
wird, mit Energie, die von einem oder mehreren Elektromotoren generiert
wird, dadurch drastisch den Kraftstoffverbrauch ohne signifikante
Auswirkungen auf das Fahrerlebnis reduzierend.
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Trotz
des Erfolgs von Hybrid- und Elektro-Fahrzeugen bleiben jedoch verschiedenartige
Design- und Leistungs-Probleme. Zum Beispiel ergeben sich oft thermische
Probleme in Leistungsmodul-Schaltungen, die mit Elektromotoren verbunden
sind, da die verschiedenen Komponenten (z. B. Transistoren, Dioden),
die in der Inverter-Schaltung vorliegen, dazu neigen, Wärmeenergie
in ungleichmäßiger Höhe abzuleiten, insbesondere
bei niedrigen Frequenzen des grundlegenden Betriebs. Normalerweise
ist es wünschenswert, eine Überhitzung der verschiedenartigen
Komponenten in dem Leistungsmodul zu vermeiden, um Schaden zu verhindern.
Während viele Leistungsmodul-Steuerungen eine Art thermalen
Schutzes implementieren, ist dieses typischerweise auf einem intern
angebrachten Thermistor und/oder auf einer durchschnittlichen Wärmeableitung über
einen Zeitraum der grundlegenden Ausgabe des Moduls basiert. Solche
Techniken gehen allgemein davon aus, dass die Frequenz der Ausgabe
bezüglich einer thermalen Zeitkonstante der Komponente
hoch ist, so dass die Vorrichtungstemperatur im Zeitablauf durchschnittlich
ist. Bei einem Betrieb mit sehr niedrigen Frequenzen (z. B. bei
sehr geringer Ge schwindigkeit oder bei Stillstand-Bedingungen) kann
diese Durchschnitts-Annahme nicht gehalten werden, was dadurch zu
fehlerhaften Temperaturschätzungen führt. Eine fehlerhafte
Einschätzung kann potentiell zu einer unerwünschten Überlastung
einer oder mehrerer Komponenten des Systems führen, was
im Laufe der Zeit in einer reduzierten Zuverlässigkeit
solcher Komponenten resultieren kann.
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Demzufolge
ist es wünschenswert, verbesserte Systeme und Techniken
zum Schätzen thermaler Bedingungen von Komponenten in dem
Leistungsmodulsystem bereitzustellen. Insbesondere ist es wünschenswert,
Systeme und Techniken zu erschaffen, die eine genaue Temperaturschätzung
selbst bei relativ niedrigen Frequenzen des grundlegenden Betriebs
(solchen wie Null Hertz) bieten. Des Weiteren werden andere wünschenswerte
Merkmale und Charakteristiken der vorliegenden Erfindung aus der
nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den anhängigen
Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß verschiedenartiger,
beispielhafter Ausführungsformen werden Verfahren und Systeme
zum Modellieren von Temperatur-Charakteristiken von Komponenten
in einem System bereitgestellt, wie einem Leistungsmodul für
ein Hybrid- oder Elektro-Fahrzeug. Für jede der Komponenten
im System wird ein Leistungsverlustwert berechnet. Ein erster Filter
wird auf den Leistungsverlustwert, der mit einer ausgewählten Komponente
verbunden ist, angewendet, um die geschätzte Temperatur
der Komponente zu bestimmen. Für jede der benachbarten
Komponenten, die neben der ausgewählten Komponente platziert
ist, wird eine Querkopplungs-Temperatur durch Anwenden weiterer
Filter auf jeden der Leistungsverlustwerte der benachbarten Komponenten
geschätzt. Die geschätzte Temperatur der ausgewählten
Komponente und die geschätzten Querkopplungs-Temperaturen
für jede der benachbarten Komponenten können dann
summiert werden, um dadurch die Betriebstemperatur der ausgewählten
Komponente zu schätzen. Ferner kann das Betreiben des Systems
justiert werden, wenn die für die ausgewählte
Komponente bestimmte Betriebstemperatur einen Grenzwert übersteigt.
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Weitere
Ausführungsformen beziehen sich auf Verfahren des Betreibens
eines eine Vielzahl an Komponenten aufweisenden Leistungsmoduls
in einem Fahrzeug. Für jede der Vielzahl an Komponenten
wird ein Leistungsverlustwert berechnet und ein erster Filter wird
auf den Leistungsverlustwert verwendet, der mit einer aus der Vielzahl
an Komponente ausgewählten Komponente verbunden ist, um
eine geschätzte Temperatur der ausgewählten Komponente
zu bestimmen. Für jede benachbarte Komponente aus einer
Vielzahl an benachbarten Komponenten, die neben der ausgewählten
Komponente platziert ist, wird eine Querkopplungs-Temperatur für
die benachbarte Komponente geschätzt durch Anwenden eines
Filters in Zusammenhang mit der benachbarten Komponente auf den
Leistungsverlustwert der benachbarten Komponente. Die geschätzte
Temperatur der ausgewählten Komponente und die geschätzten
Querkopplungs-Temperaturen für jede der benachbarten Komponenten
werden summiert, um dadurch die Betriebstemperatur für
die ausgewählte Komponente zu schätzen. Das Betreiben
des Leistungsmoduls kann justiert werden, wenn die für
die ausgewählte Komponente bestimmte Betriebstemperatur
einen Grenzwert übersteigt.
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Noch
weitere Ausführungsformen beziehen sich auf ein Leistungsmodul
eines Fahrzeugs, wobei das Leistungsmodul eine Vielzahl an elektrischen
Komponenten und eine Steuerung aufweist, die an jede der Vielzahl
der Komponenten gekoppelt ist. Die Steuerung ist konfiguriert, ein
Leistungsverlustwert für jede der Vielzahl der Komponenten
zu berechnen und einen ersten Filter auf den Leistungsverlustwert
anzuwenden, der mit einer aus der Vielzahl der Komponenten ausgewählte
Komponente verbunden ist, um eine geschätzte Temperatur
der ausgewählten Komponente zu bestimmen. Die Steuerung
ist ferner konfiguriert, für jede der Vielzahl an benachbarten
Komponenten, die neben der ausgewählten Komponente platziert
ist, eine Querkopplungs-Temperatur für die benachbarte
Komponente zu schätzen durch Anwenden eines Filters im
Zusammenhang mit der benachbarten Komponente auf den Leistungsverlustwert
der benachbarten Komponente, und die geschätzte Temperatur
der ausgewählten Komponente und die geschätzten
Querkopplungs-Temperaturen jeder der benachbarten Komponenten zu
summieren, um dadurch die Betriebstemperatur der ausgewählten
Komponente zu schätzen. Das Betreiben des Leistungsmoduls
kann durch die Steuerung justiert werden, wenn die für
die ausgewählte Komponente bestimmte Betriebstemperatur
einen Grenzwert übersteigt.
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Weitere
Merkmale und Aspekte der verschiedenartigen Ausführungsformen
werden unten in zusätzlicher Ausführlichkeit beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend
wird der Gegenstand in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen
beschrieben werden, wobei gleiche Zahlzeichen ähnliche
Elemente anzeigen und
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1 ein
Schaltplan eines beispielhaften Leistungsmoduls für ein
Fahrzeug ist;
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2 ein
Ablaufdiagramm ist, das eine beispielhafte Technik zum Schätzen
der Temperatur einer oder mehrerer Komponenten in einem System zeigt;
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3 ein
Blockdiagramm ist, das eine beispielhafte Filter-Anordnung zeigt;
und
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4 eine
grafische Darstellung ist, die beispielhafte Temperaturcharakteristiken
für eine Anzahl an Komponenten in einem Zeitablauf zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf Verfahren
und Systeme, die mit Leistungsmodulen zusammenhängen, wie
zum Beispiel jene, die in vielen Hybrid- oder Elektro-Automobilen,
-Lastwagen oder weiteren -Vehikeln gefunden werden können. Äquivalente
Konzepte können jedoch leicht in weiteren Fahrzeug-, Industrie-,
Luftfahrt- und/oder anderen Situationen angewendet werden. In dieser
Hinsicht ist die folgende ausführliche Beschreibung in
ihrer Natur vielmehr beispielhaft und ist nicht beabsichtigt, die
Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken.
Ferner besteht hier keine Absicht, an jede explizite oder implizite
Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden technischen Gebiet,
Hintergrund, in der kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden
ausführlichen Beschreibung erörtert wird.
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Allgemein
gesprochen können die Temperaturen der verschiedenartigen
Komponenten, die in einem System operieren, durch Anwenden eines
Filter-basierten Models des Temperatur-Verhaltens auf berechnete Leistungsverlustwerte
genau geschätzt werden. Das heißt, Leistungsverlustwerte
einer oder mehrerer Komponenten können basierend auf bekannten
Daten berechnet werden. Diese berechneten Werte können
dann gefiltert werden mit als geeignet hinzugefügten Ergebnissen,
um zu genauen Schätzungen von Komponen ten-Temperaturen
zu kommen. Durch Anwenden eines geeigneten Satzes an Filtern können
Temperaturschätzungen selbst bei niedrigen Grund-Frequenzen
viel genauer sein als solche, die auf den Durchschnittsberechnungstechniken
des Standes der Technik basieren.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten, oder
Merkmale, die zusammen- ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. ”Verbunden” wie
hierin verwendet bedeutet, soweit nicht ausdrücklich anderes
angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal
auf eine mechanische, logische, elektrische oder andere geeignete
Weise direkt verbunden ist (oder direkt kommuniziert). Ebenso bedeutet ”gekoppelt”,
sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, dass ein Element/Knoten/Merkmal
mit einem weiteren Element/Knoten/Merkmal auf eine mechanische,
logische, elektrische oder andere geeignete Weise direkt oder indirekt
verbunden ist (oder direkt oder indirekt kommuniziert). Der Begriff ”beispielhaft” wird
eher im Sinne eines ”Beispiels” als im Sinne eines ”Modells” verwendet.
Auch wenn die Figuren eine beispielhafte Anordnung von Elementen
zeigen, können ferner zusätzliche intervenierende
Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer bestimmten
Ausführungsform der Erfindung präsent sein.
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren und auf die Anfangsbezugnahme auf 1 wird
ein beispielhaftes System 100 gezeigt, das zur Verwendung
in einem Auto, einem Lastwagen oder einem anderen Vehikel geeignet
ist. Ein solches System 100 kann jegliche Art von DC-AC-Wandlern
(oder -Invertern), jegliche Art von DC-DC-Wandlern oder Ähnliches
enthalten. Im Beispiel der 1 ist das
System 100 eine Inverter-Typ-Schaltung, die die elektrische
Energie von einer Quelle 104 über mehrfache elektrische
Phasen 130, 132, 134 einer elektrischen
Maschine 102 verwendet. Diese Energie wird typischerweise
als Antwort auf verschiedene Pulsweitenmodulations-(PWM) oder andere
Steuerungs-Signale 139A–F angewendet, die geeignet
durch eine digitale Steuerung 137 generiert werden und
an Schalt-Komponenten in der Schaltung 100 bereitgestellt
werden. Viele weitere Typen von Systemen 100 können
auf eine äquivalente Weise in Automobil- oder anderen Situationen
angewendet werden.
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Wie
in 1 gezeigt, enthält das System 100 ein
geeignetes Leistungsmodul 138, das Strom auf jede der drei
elektrischen Phasen 130, 132, 134 der
AC-Maschine 102 unter Verwendung von drei Sätzen
an Schaltelementen anwendet, die in 1 als Schal tungen 106–116 gezeigt
werden. Schalter 106 und 108 können durch
Signale 139A und 139B respektive aktiviert werden,
um positiven oder negativen Strom auf die Phase 130 anzuwenden,
mit Schaltern 110 und 112, die durch Signale 139C–D
aktiviert werden, um positiven oder negativen Strom auf die Phase 132 anzuwenden,
und Schalter 114 und 116, die durch Signale 139E–F
aktiviert werden, um positiven oder negativen Strom auf die Phase 134 respektive
anzuwenden. In verschiedenen Ausführungsformen werden die
Schalter 106–116 mit Bipolartransistoren
mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: ”insulated-gate
bipolar transistor” (IGBT)), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(englisch: ”metal oxide semiconductor field-effect transistor” (MOSFET))
und/oder Ähnlichen implementiert. Solche Transistoren stellen
typischerweise einen gemeinsamen Anschluss bereit (z. B. einen Basis-
oder einen Gate-Anschluss), der mit einem Steuerungssignal 138A–F
zu einer relativ hohen oder niedrigen Spannung angesteuert werden kann,
um dadurch elektrische Leitfähigkeit zwischen den verbleibenden
Anschlüssen der Vorrichtung zu ermöglichen.
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In
der in
1 gezeigten Ausführungsform wird jeder
Schalter
106–
116 als antiparallel zu
einer Diode
118–
128 konfiguriert gezeigt.
Allgemein gesprochen leitet jede Diode elektrischen Strom, wenn
der sie begleitende parallele Schalter in einem inaktiven Zustand
ist. Die Diode trägt Strom jedoch in die entgegengesetzte Richtung
als der sie begleitende Schalter. Die Diode
120 leitet
zum Beispiel typischerweise Strom, wenn der Schalter
108 aktiv
ist, und leitet nicht, wenn der Schalter
106 aktiv ist.
Folglich leitet die Diode
118 typischerweise Strom, während
der Schalter
106 aktiviert ist, und leitet nicht, wenn
der Schalter
108 aktiv ist. In der Ausführungsform
der
1 werden Schalter
110,
112,
114 und
116 ähnlich
als mit Dioden
124,
122,
128 und
126 respektive
gepaart gezeigt. Allgemein gesprochen kann eine gewünschte
AC- oder DC-Spannung auf jede der drei Phasen
130,
132,
134 durch
Justieren der Zeit angewendet werden, so dass jedes Schaltelement
106–
116 aktiv
bleibt. Zusätzliche Details der beispielhaften Spannungsquellen-Inverter-Schaltungen
werden im
US-Patent No. 7,061,134 beschrieben,
obwohl in anderen Ausführungsformen viele äquivalente
Inverter, Wandler und/oder Topologien oder Betriebsschemen verwendet
werden können.
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In
vielen Ausführungsformen werden Schalter 106–116 und
Dioden 118–129, die das Leistungsmodul 138 aufbauen,
mit einer integrierten Schaltung implementiert. Das heißt,
dass eine oder mehrere dieser Komponenten mit einer Schaltung implementiert
werden können, die auf einem oder mehreren Halbleiterbausteinen
hergestellt sind, und auf beliebige Weise verpackt werden können.
In einigen Ausführungsformen können mehrfache
Komponenten auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat bereitgestellt
werden. Zwei oder mehrere Schalter 106–116 und/oder
Dioden 118–128 können zum Beispiel
auf einem gemeinsamen Baustein, Substrat oder ähnlichem
ausgestaltet sind. Beim Berechnen von Temperaturschätzungen
kann es dann hilfreich sein, die Effekte der Temperatur-Querkopplung
zwischen nahe platzierten Komponenten zu betrachten (z. B. Komponenten,
die auf dem gleichen Substrat oder Baustein platziert sind oder
anderweitig in relativ enger räumlichen Nähe platziert
sind), da das Betreiben auf einer Komponente Wärme erzeugen
kann, die benachbarte Komponenten beeinflusst.
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Die
Steuerung 137 ist jede/jedes Vorrichtung, Modul, Schaltung,
Logik und/oder Ähnliches, was in der Lage ist, Steuerungssignale 109A–F
an verschiedene Komponenten der Inverter-Schaltung 100 bereitzustellen.
Die Steuerung 137 kann mit einem herkömmlichen
Mikroprozessor oder Mikrocontroller implementiert werden, welche
zum Beispiel typischerweise Software- oder Firmware-Instruktionen
enthalten, die in einem flüchtigen oder nicht-flüchtigen
digitalen Speicher gespeichert sind. In anderen Ausführungsformen
ist die Steuerung 137 mit programmierbaren Gate-Arrays,
Look-up-Tabellen und/oder weiteren logischen Schaltungen jeglicher
Art implementiert. Obwohl nicht in 1 gezeigt,
kann die Steuerung 137 physisch an die Schalter 106–116 durch
jeden Typ eines Multiplex-/Demultiplex-Betriebs oder einer anderen
Decodierungs-Schaltung gekoppelt sein, um die Anzahl von Logik-Anschlüssen
oder weiteren Ausgaben auf der Steuerung 137 zu reduzieren,
die verwendet werden, um Signale 139A–F bereitzustellen.
Ferner kann die Steuerung 137 jede Art eines Eingabesignals 143 von
der AC-Maschine 102 oder vom beliebigen mit ihr zusammenhängenden Sensor
empfangen, um die Präsenz einer Bedingung des Niedrigfrequenzbetriebs
anzuzeigen, wie unten vollständig beschrieben.
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Die
in 1 gezeigte Quelle 104 ist eine beliebige
Batterie, ein beliebiger Generator, eine beliebige Brennstoffzelle
oder eine anderweitige Quelle der elektrischen Energie. Allgemein
entspricht die Leistungsquelle einer herkömmlichen Batterie
eines Hybrid-Fahrzeugs oder Reihen an Batterien, die Gleichstrom
(DC) an das System 100 bereitstellen. In der beispielhaften
Ausführungsform der 1 ist die
Quelle 104 einfach als relative Spannung (VDC) gezeigt,
die zwischen zwei Eingabeanschlüssen eines Inverter-Leistungsmoduls 138 angewendet
wird, die in jeder herkömmlichen Weise angewendet werden
kann.
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Die
AC-Maschine 102 ist in 1 ein Induktionsmotor
eines beliebigen Typs eines oder Ähnliches, eine beliebige
Anzahl an induktiven Wicklungen aufweisend, die einer beliebigen
Anzahl an elektrischen Phasen entsprechen. Die in 1 gezeigte
Ausführungsform der AC-Maschine 102 hat zum Beispiel
drei elektrische Phasen, obwohl äquivalente Ausführungsformen
zwei, vier oder jede weitere Anzahl an induktiven Phasen verwenden
können. Die AC-Maschine 102 operiert gemäß herkömmlicher
elektrischer Grundsätze. Durch abwechselndes Verbinden
der verschiedenen Wicklungen 130, 132, 134 an
die Leistungsquelle 104 können zum Beispiel verschiedene
elektrische Pfade geeignet ausgebildet und geändert werden,
um ein mechanisches Drehmoment zu generieren, das auf eine beliebige
Anzahl von Rädern, Schwungrädern oder andere mechanische
Verbraucher angewendet werden kann.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform kann jede
der elektrischen Phasen 130, 132, 134 des
Leistungsmoduls 138 entweder an den positiven oder an den
negativen Anschluss der Leistungsquelle 104 durch verschiedene
Komponenten der Inverter-Schaltung 100 schaltbar gekoppelt
werden, so dass entweder eine volle Schienenspannung oder eine Null-Spannung über
beliebige zwei der Phasen 130, 132, 134 in
beiden Richtungen erlaubt wird. Schalter 106, 110 und 114 koppeln
zum Beispiel schaltbar Phasen 130, 132, 134 (respektive)
an die positive Spannungs-(oder Primär-)-Seite der Leistungsquelle 104,
während Schalter 108, 112, 116 die
Phasen 130, 132, 134 (respektive) an
die gegenüberstehende (z. B. negative oder Referenz-)Seite
der Leistungsquelle 108 koppeln. Um eine positive oder
negative Spannung zwischen zwei beliebigen Phasen der Phasen 130, 132, 134 anzuwenden,
können ein oder mehrere mit der Wicklung verbundene Schalter 106–116 unter
Verwendung von einem oder mehreren geeigneten Steuerungssignalen 139A–F
aktiviert werden. Um positive Spannung während eines Zeitintervalls
zwischen den Phasen 130 und 132 anzuwenden, wird
zum Beispiel die Phase 130 an die positive Seite der Leistungsquelle 104 gekoppelt
(d. h. der Schaler 106 wird mit dem Signal 139B aktiviert)
und die Phase 132 wird an die negative Seite der Energiequelle 104 gekoppelt
(d. h. der Schalter 112 wird mit dem Signal 139C aktiviert).
Der Stromfluss in der Schal tung hängt von der Polarität der
angewendeten Spannung und dem Leistungsfaktor der verbundenen Last
ab. Deswegen, wenn der Phasenstrom in 139 positive Polarität
hat (d. h. in die in 1 gezeigte Richtung fließt),
fließt er durch den Schalter 106. Umgekehrt fließt
der Strom durch die Diode 118, wenn er negative Polarität
hat. Ähnlich wird der Phasenstrom in der Phase 132 in
Abhängigkeit von seiner negativen oder positiven Polarität
respektive während des Zeitintervalls entweder durch den
Schalter 112 oder durch die Diode 124 fließen.
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Wie
oben angemerkt ist es allgemein wünschenswert, jede der
verschiedenen Komponenten im Leistungsmodul 139 vor Überhitzung
zu bewahren. Dieses kann durch Schätzen der Temperatur
von einer oder mehreren Komponenten und dann durch Vermeiden von
Bedingung, die übermäßige Hitze produzieren,
oder durch anderweitiges geeignetes Reagieren auf Hohe-Hitze-Bedingungen
bewältigt werden.
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Eine
Technik zum Betrachten von Elektro-Thermalen-Problemen ist in 2 gezeigt.
Allgemein gesprochen können die verschiedenen Schritte
der Technik 200 mit Software- oder Firmware-Instruktionen
implementiert werden, die in einem beliebigen Speicher mit wahlfreiem
Zugriff (englisch: ”random-access memory” (RAM)),
in einem beliebigen Nur-Lese-Speicher (englisch: ”read-only
memory” (ROM)), in einem beliebigen Flash-Speicher, in
einem beliebigen Massenspeicher (z. B. beliebiger Art von magnetischen
oder optischen Medien) und/oder in einem beliebigen anderen digitalen
Speichermedium beliebiger Art gespeichert sind. Solche Instruktionen
können durch einen beliebigen Mikroprozessor oder eine
andere Steuerung (z. B. die Steuerung 137 in 1)
auf beliebige Weise ausgeführt werden. In verschiedenen
Ausführungsformen wird das Verfahren 200 innerhalb
einer Leistungsmodul-Steuerung 137 in Echtzeit während
des Betriebs des Fahrzeugs ausgeführt, um sicherzustellen,
dass genaue Temperaturschätzungen für alle relevanten
Betriebs-Bedingungen und -Parameter verfügbar sind. In
anderen Ausführungsformen kann die Technik 200 jedoch
nur dann ausgeführt werden, wenn es notwendig ist (z. B.
während Niedrig-Frequenz-Betriebs), mit Techniken des Standes
der Technik oder mit anderweitigen Techniken, die während
anderer Bedingungen verwendet werden (z. B. Hoch-Frequenz-Betrieb),
um übermäßige Lasten auf der bearbeitenden
Hardware oder anderen Ressourcen zu verhindern. Als solche kann
die Technik 200 zu jedem Zeitpunk des Betriebs des Fahrzeugs und/oder
Leistungsmoduls 138 ausgeführt (oder nicht ausgeführt)
werden.
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Nun
Bezug auf 2 nehmend enthält eine
beispielhafte Technik 200 zum Schätzen der Temperatur von
einer oder mehreren Komponenten in einem System umfassende Schritte
zum Berechnen von Leistungsverlustwerten für jede der Komponenten
(Schritte 204, 206), Schätzen der Temperatur
einer ausgewählten Komponente (Schritt 208) durch
Anwenden eines Filters, Schätzen von Querkopplungs-Effekten
(Schritte 210, 212) für benachbarte Komponenten
und dann Summieren der geschätzten Temperatur und der durch
Querkopplung verursachten Temperatur-Effekte (Schritt 214),
um zu einer genauen Temperaturschätzung für die ausgewählte
Komponente zu gelangen. Sollte diese geschätzte Temperatur
eine für das Betreiben annehmbare Temperatur übersteigen
(Schritt 216), kann das Betreiben des Leistungsmoduls justiert
werden (Schritt 218) oder es kann eine anderweitige geeignete
heilende Aktion vorgenommen werden. Der Prozess der Schätzung
von Temperaturen von Komponenten kann für jede beliebige
Anzahl von ausgewählten Komponenten wie gewünscht
wiederholt werden (Schritt 220).
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Allgemein
gesprochen involviert der Temperaturschätzungs-Prozess
dann Bestimmen von Leistungsverlustwerten für jede Komponente
und dann Filtern der verschiedenen Leistungsverlustwerte, um zu
geschätzten Temperaturparametern zu gelangen.
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Leistungsverbrauch
kann auf eine beliebige Weise bestimmt werden. In verschiedenen
Ausführungsformen werden Daten über jede Komponente
aus einem Speicher, Massenspeicher und/oder Ähnlichem erhalten
(Schritt 202) und für jede Komponente wird ein
Leistungsverlust berechnet (Schritt 204), unter Verwendung
von herkömmlichen algebraischen oder anderweitigen mathematischen
Techniken (Schritt 206). Allgemein gesprochen kann der
Leistungsverbrauch als eine Funktion von beiden betrachtet werden,
vom Leitvermögensverlust (z. B. Verlust aufgrund des Durchflusses
des elektrischen Stroms durch die Vorrichtung) und vom Schaltungsverlust
(z. B. Verlust aufgrund der Präsenz von Strom oder Spannung,
während die Vorrichtung die Zustände schaltet).
Diese Werte können unter Verwendung relativ einfacher algebraischer
Techniken aus empirischen und/oder leicht messbaren Daten bestimmt
werden.
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Wieder
mit kurzzeitigem Bezug auf 1 können
zum Beispiel die Leistungsverlustwerte für verschiedene
Komponenten während einer Schaltperiode leicht aus einem Katalog
und messbaren Daten berechnet werden. Da der Strom 130 (ia) zum Beispiel positiv ist (wie in 1 gezeigt)
und der Schalter 106 den Strom 130 leitet, kann
der Leistungsverlust im Schalter 106 als der Produkt der
Sättigungs-Spannung (Vsat) des Schalters 106 (welche
selbst eine Funktion des Stroms 130 ist), des tatsächlichen
Stroms 130 (ia) und des Tastverhältnisses
(d) der angewendeten Modulation gezeigt werden. Algebraisch ausgedrückt: Pcond_s1 = Vsat(ia)·ia·d (1)
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Wenn
Strom 130 (ia) positiv ist und
die Diode 129 den Strom 130 leitet, kann der Leistungsverlust
in der Diode 120 als Produkt des Spannungsabfalls (VD) der Diode 120 (welcher eine Funktion
des Stroms 130 ist), des tatsächlichen Stroms 130 (ia) und des Tastverhältnisses (1 – d)
der angewendeten Modulation gezeigt werden. Algebraisch ausgedrückt: Pcond_d2 = VD(ia)·ia·(1 – d) (2)
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Ähnlich,
wenn der Strom 130 (ia) negativ
ist (wie in 1 gezeigt), kann der Leistungsverlust
im Schalter 108 gezeigt werden als: Pcond_s2 = Vsat(ia)·ia·(1 – d) (3)und der Leistungsverlust
in der Diode 118 kann gezeigt werden als: Pcond_d1 = VD(ia)·ia·(d) (4)
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Schaltverluste
können ähnlich als Funktionen von Katalogdaten
und/oder leicht bestimmbaren Quantitäten gezeigt werden.
Die Schaltverluste in Schaltern
106 und
108 können
zum Beispiel algebraisch bestimmt werden aus den Einschalte-(on)
und Ausschalte-(off)-Energien des Schalters (E
on und
E
off respektive), der Schaltperiode (T
s) und des Verhältnisses des tatsächlichen
DC-Bus-Spannungswerts (V
DC) zu dem Standard-DC-Bus-Wert
(V
DC_test), an dem die Einschalte- und Ausschalte-Energien
durch den Hersteller der Schalter gemessen werden. Algebraisch angegeben:
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Ähnlich
können die Schaltverluste in Dioden
118 und
120 aus
der reversen Wiedergewinnungsenergie (E
rr)
der Diode, der Schaltperiode (T
s) und dem
Verhältnis des tatsächlichen DC-Bus-Spannungswerts
(V
DC) zu dem Standard-DC-Bus-Wert (V
DC_test) berechnet werden. Daher können
für Dioden die Schaltverluste in dieser Ausführungsform
des Leistungsmoduls
138 ausgedrückt werden als:
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Es
ist anzumerken, dass in jeder der obigen Beziehungen, die Sättigungsspannung
(Vsat), der Spannungsabfall der Diode (VD), die Einschalte- und Ausschalte-Energien
(Eon und Eoff respektive)
und die reversen Wiedergewinnungsenergie der Dioden (Err)
jeweils als Funktionen des Stroms 130 (ia)
ausgedrückt werden. Jede dieser Funktionen ist relativ
statisch und kann allgemein in der Produktliteratur oder in anderen
Quellen gut beschrieben sein. Des Weiteren ändern sich
diese Werte aufgrund der Temperatur oder aufgrund anderer Faktoren
als der angewendete Strom typischerweise nicht substantiell. Daher
kann eine Look-up-Tabelle oder Ähnliches bereitgestellt
werden (z. B. in Schritt 202 oder anderenorts), was erlaubt,
diese Werte für verschiedenartige Werte des angewendeten
Stroms zu bestimmen.
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Die
oben dargelegten allgemeinen Konzepte können in einer beliebigen
Anzahl an Einstellungen auf jede Art von Leistungsmodulen oder auf
andere Systeme angewendet werden. Die obigen Gleichungen können
zum Beispiel leicht für jeden der Schalter 106–116 und/oder
jede der Dioden 118–128 in 1 oder
auf jegliche andere Komponenten in dieser oder in jeglichen anderen
Ausführungsform angepasst werden. In Ausführungsformen,
in denen mehrfache Chips oder andere Vorrichtungen verwendet werden,
um irgendeinen bestimmten Schalter, irgendeine bestimmte Diode oder
andere Vorrichtung zu implementieren, kann der Leistungsverlustwert
ferner leicht geteilt oder anderweitig justiert werden, um mehrfache
Chips, Bausteine oder andere Komponenten zu kompensieren, die die
Energie des Merkmals abbauen. Es können verschiedene Techniken
zum Berechnen von Leistungsverlustwerten formuliert und auf jede
Art eines Leistungsmoduls 138 oder auf ein anderes System
in jeglicher Anzahl von äquivalenten Ausführungsformen
angewendet werden.
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Zur 2 zurückkehrend
können die in Schritt 206 bestimmten verschiedenen
Leistungsverlustwerte gefiltert oder anderweitig bearbeitet werden,
um Temperaturwerte für eine oder mehrere Komponenten zu schätzen
(Schritt 208). In der in 2 gezeigten beispielhaften
Ausführungsform wird eine geschätzte Temperatur
für jede ausgewählte Komponente zunächst
durch Anwenden eines geeigneten Filters auf den Leistungsverlustwert
der ausgewählten Komponente bestimmt. Typischerweise wird
der angewendete Filter genaue Temperaturschätzungen selbst
bei relativ niedrigen Betriebsfrequenzen ermöglichen wie
weiter unten ausführlicher beschrieben. Der bestimmte Filter,
der angewendet wird, kann auf jede Weise basierend auf empirisch beobachteten
Daten und/oder jeglichen anderen Faktoren wie geeignet ausgestaltet
werden. In verschiedenen Ausführungsformen können
ein oder mehrere Filter relativ niedriger Ordnung (z. B. ein Filter
erster Ordnung) angewendet werden, um das Level der Berechnung auf
einem relativ niedrigen Level zu halten. Filter höherer Ordnungen
und/oder mehrstufige Filter können in anderen Ausführungsformen
jedoch äquivalent angewendet werden.
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Die
in Schritt 208 erhaltene geschätzte Temperatur
kann durch Berücksichtigen von Querkopplungs-Effekten von
benachbarten Komponenten genauer gemacht werden wie in Schritten 210 und 212 gezeigt. ”Benachbarte
Komponenten” beziehen sich auf jedwede weitere Komponenten,
die in ausreichend enger räumlicher Nähe sind,
so dass thermale Querkopplung oder weitere thermale Effekte zutreffen
können. Benachbarte Komponenten können sich in
einigen Ausführungsbeispielen auf dem gleichen Substrat
oder Baustein befinden, wobei in anderen Ausführungsformen
benachbarte Komponenten zum Beispiel einfach in enger räumlichen
Nähe platziert sein können (sogar auf separaten
Bausteinen, Substraten oder Baueinheiten).
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Für
jede der Komponenten, die zu betrachten sind (Schritt 219),
werden Querkopplungs-Effekte auf jedwede Weise geschätzt
(Schritt 212). In verschiedenen Ausführungsformen
werden Querkopplungs-Temperaturen unter Verwendung der gleichen
Filterungstechniken geschätzt, die oben im Bezug auf den
Schritt 208 beschrieben wurden. Das heißt, dass
ein Leistungsverlustwert für die benachbarte Komponente
auf ein Filter angewendet werden kann, um zu einer geeigneten Schätzung
des durch die Komponente produzierten Effekts zu gelangen. Der bestimmte
Filter kann sich von dem in Schritt 208 angewendeten Filter
unterscheiden, obwohl in einigen Ausführungsformen und
Fällen sich überlappende oder identische Filter
angewendet werden können. Der numerische Wert, der aus
dem Querkopplungs-Filter resultiert, kann skaliert oder anderweitig
justiert werden, um den physikalischen Unterschied in einigen Ausführungsformen
zu berücksichtigen, obwohl andere Ausführungsbeispiele
solche Faktoren einfach ignorieren oder in die Parameter des bestimmten
angewendeten Filters oder Models einbauen können, soweit
erforderlich.
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Der
geschätzten Komponenten-Temperatur und der geschätzten
Querkopplungs-Temperatur können Effekte für jede
benachbarte Komponente hinzugefügt oder anderweitig kombiniert
werden (Schritt 214), um zu einer geeigneten Temperaturschätzung
für die ausgewählte Komponente zu gelangen. Die
resultierende Schätzung wird allgemein selbst bei relativ
niedrigen Betriebs-Frequenzen genau sein und wird typischerweise genauer
sein als Schätzungen, die durch Durchschnittsberechnungstechniken
des Standes der Technik erhalten werden.
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Die
resultierende Temperaturschätzung für die ausgewählte
Komponente kann ausgegeben werden oder auf beliebige Weise anderweitig
bearbeitet werden. In verschiedenen Ausführungsformen wird
die Temperaturschätzung verwendet, um zu identifizieren,
warm eine oder mehrere Komponenten bei einer Temperatur operieren
können, die einen Grenzwert eines sicheren Betreibens überschreitet
(Schritt 216). Wenn zum Beispiel eine Komponente als außerhalb
ihrer normalen thermalen Bedingungen operierend geschätzt
wird, kann es wünschenswert sein, solche Bedingungen zu
identifizieren und geeignete abhelfende Aktionen vorzunehmen (Schritt 218).
Eine abhelfende Aktion kann zum Beispiel Justieren einer der Komponente
bereitgestellten Versorgungsspannung oder anderenfalls Justieren
des Betreibens des Systems, um die thermalen Effekte an der entsprechenden
Komponente zu reduzieren, umfassen. Signale 239A–F
können zum Beispiel soweit erforderlich justiert werden,
um das Betreiben der Schaltung zu ändern, wenn die thermalen
Bedingungen dies erfordern. Andere Typen des Ausgebens, die erfolgen
könnten, enthalten Erfassen von Temperaturdaten für anschließende
Auslagerung (z. B. zum Zwecke der Instandhaltung), Bereitstellen
der geschätzten Temperatur an ein anderes Modul oder eine
andere Routine, die in der Steuerung 137 operiert, Bereitstellen
jeder Art von Indizien an einen Treiber oder an einen Wartungsarbeiter,
der mit dem Fahrzeug verbunden ist, und/oder Vornahme anderer Aktionen
wie erforderlich.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm, das zusätzliche Details über
eine beispielhafte Filterungstechnik bereitstellt, die angewendet
werden kann, beispielweise in den obigen Schritten 208 und 212.
Nun mit Bezug auf 3 können verschiedene
Filter 305, 310 auf verschiedene Komponenten (z.
B. Schalter, Dioden oder Ähnliche), die in einem System
operieren, angewendet werden, um zu geschätzten Werten
einer Komponente und Querkopplungs-Temperaturen respektive zu gelangen.
Der Filter 310 kann eine beliebige Anzahl an Malen für jede
Anzahl an zusätzlichen Komponenten, die sich in der Nachbarschaft
zu der entsprechenden Komponente befinden, wiederholt werden. Wie
in 3 gezeigt enthält jeder Filter 305, 319 jede
Nummer an Filterungsstufen, um die Genauigkeit und Auflösung
des Filters zu verbessern. Der Filter 305 enthält
zum Beispiel drei Filterstufen 306–308,
wobei der Filter 310 Filterstufen 311–313 enthält.
Verschiedene Ausführungsformen können verschiedene
Anzahlen an Filterstufen zum Schätzen von Komponenten-
und/oder Querkopplungs-Temperaturen verwenden wie erforderlich.
Typischerweise können zusätzliche Filterstufen
den involvierten Umfang der Berechnungen erhöhen, so dass
es wünschenswert sein kann, weniger Filterstufen beim Berechnen von
Querkopplungs-Temperaturen als zum Beispiel von Komponenten-Temperaturen
zu verwenden. In anderen Ausführungsformen hat jede Komponente
einen zugehörigen Filter 305, 310, der
verwendet werden kann, um beide Komponenten-Temperaturen zu berechnen
und Querkopplungs-Temperaturen abzuleiten (z. B. in Verbindung mit
einer Skalierungskonstante oder Ähnlichem, um den Abstand
zwischen den benachbarten Komponenten zu reflektieren).
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In
Betrieb wird der für eine ausgewählte Komponente
berechnete Leistungsverlustwert 302 auf verschiedene Stufen 306, 307, 308 des
Filters 305 angewendet, um eine beliebige Anzahl an resultierenden
Werten 331, 332, 333 (respektive) zu
erhalten. Diese resultierenden Werte 331–333 können
summiert oder anderweitig kombiniert 320 werden, um zu
der geschätzten Temperatur 328 für die
ausgewählte Komponente zu gelangen. Ähnlich können
die Leistungsverlustwerte 304 für beliebige Anzahl
an benachbarten Komponenten auf Filterstufen 311, 312, 313 angewendet
werden, die mit beliebiger Anzahl an benachbarten Komponenten verbunden
sind, um zu resultierenden Werten 334, 335, 336 (respektive)
zu gelangen. Diese resultierenden Werte können summiert 322 oder
anderweitig bearbeitet werden, um zu einer oder mehreren geschätzten
Querkopplungs-Temperaturen 330 zu gelangen. Die geschätzte
Temperatur 328 und die Querkopplungs-Temperaturen 330 können
dann summiert werden (Element 324, der dem Schritt 214 in 2 entspricht)
oder anderweitig kombiniert werden wie erforderlich. In verschiedenen Ausführungsformen
kann ebenfalls eine Offset-Temperatur (solche wie eine umgebende
oder ”Kaltplatten”-Temperatur 332, die
von einem geeigneten Sensor gemessen wird) hinzu addiert werden,
um zu der Temperatur 326 für die ausgewählte
Komponente zu gelangen. Das heißt, eine geschätzte
Temperatur 326 kann durch Berücksichtigen von
Wärmewirkungen der Komponente selbst und ihrer Nachbarn
und dann durch Hinzu-Addieren des Temperaturanstiegs aufgrund dieser
Effekte an die Basislinien- oder Ambiente-Temperatur 332 bestimmt
werden.
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Wie
oben angemerkt kann jeder Filter 305, 310 eine
beliebige Anzahl von Stufen 306–308, 311–313 enthalten,
wie erforderlich. Wie in 3 gezeigt wird jede Stufe 306–308, 311–313 durch
einen Filter erster Ordnung dargestellt, der durch eine Laplace-Gleichung
ausgedrückt wird, die eine beliebige Anzahl an Parameter
enthält. Jede gezeigte Stufe enthält resistive
(R) und kapazitive (C) thermale Konstanten, die zusammen zum Beispiel
eine Zeitkonstante (RC) für den angewendeten Filter bereitstellen.
In der Praxis können bestimmte Parameter für jede
Filter-Stufe auf eine beliebige Weise gestimmt werden, beispielsweise
aus beobachteten Daten.
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4 zeigt
zum Beispiel eine grafische Darstellung des beobachteten Temperaturverhaltens
für verschiedene Komponenten in einem Zeitablauf. Wie in 4 zu
beobachten ist, steigt mit der Zeit die Temperatur einer jeden Komponente
auf eine exponentielle Weise allgemein in die Richtung einer Betriebstemperatur
eines stationären Zustands. Dieses Verhalten kann unter
Verwendung der oben beschriebenen Konstrukte leicht modelliert werden.
Unter Verwendung herkömmlicher Systemanalysetechniken können
Werte von ”R” und ”C” für
jede Filter-Stufe 306–308 und 311–313 bestimmt
werden, um das beobachtete Verhalten einer jeden Komponenten in
einem Zeitablauf zu reflektieren. Durch Konvertieren des Modells
auf die Frequenzdomain, die eine herkömmliche Laplace-,
Fourier- oder eine andere Analyse verwendet (z. B. wie in 3 gezeigt),
können diese Parameter ähnlich verwendet werden,
um Systemleistung auf eine geeignete Weise zu modellieren. Im Gegensatz
zu Techniken des Standes der Technik kann ein Modell dann angewendet
werden, um zu sehr genauen Temperaturschätzungen selbst
während eines Niedrig-Frequenz-Betriebs des Systems zu
gelangen.
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Während
zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden
ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, sollte es
so verstanden werden, dass eine Unmenge an Variationen besteht.
Es sollte auch so verstanden werden, dass die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele
sind und nicht beabsichtigt sind, den Rahmen, die Anwendbarkeit
oder die Konfiguration des erfinderischen Gegenstands auf irgend
eine Weise zu beschränken. Vielmehr wird die vorgehende
ausführliche Beschreibung den Fachleuten einen bequemen
Fahrplan zum Umsetzen der beispielhaften Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen bereitstellen.
Es sollte zu verstehen sein, dass verschiedenartige Änderungen
in der Funktion und Anordnung der Elemente durchgeführt
werden können, ohne von dem durch die anhängenden
Ansprüche und ihre legalen Äquivalente definierten
Rahmen abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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