DE102012211718A1 - Electric charging system with temperature control system for battery-powered motor vehicles and components of the charging system - Google Patents

Electric charging system with temperature control system for battery-powered motor vehicles and components of the charging system Download PDF

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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Ladesystem für Kraftfahrzeuge umfassend einen Energiespeicher (15), der vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug (10) intergriert ist, und eine Ladestation mit einem Temperierungssystem bereitgestellt, wobei der Energiespeicher (15) vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, und das Temperierungssystem temporär thermisch mittels einer forcierten Luftbewegung und/oder eines Infrarotstrahlers miteinander gekoppelt sind. Vorteilhafterweise können durch ein erfindungsgemäßes Ladesystem zur Temperierung während der Fahrt erforderliche Komponenten zur Temperierung reduziert oder auch ganz eingespart werden, sodass der Energieverbrauch während der Fahrt des Kraftfahrzeuges (10) reduziert werden kann. Zudem werden ein Energiespeicher (15), eine Ladestation, ein Temperierungssystem sowie ein Kraftfahrzeug (10) offenbart.According to the invention, an electrical charging system for motor vehicles is provided, comprising an energy store (15), which is preferably integrated in a motor vehicle (10), and a charging station with a temperature control system, the energy store (15) preferably a lithium-ion battery, and the temperature control system are temporarily thermally coupled to one another by means of a forced air movement and / or an infrared radiator. Advantageously, the necessary temperature control components can be reduced or even completely saved by a charging system according to the invention for temperature control while driving, so that the energy consumption while the motor vehicle (10) is driving can be reduced. In addition, an energy store (15), a charging station, a temperature control system and a motor vehicle (10) are disclosed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Ladesystem für Kraftfahrzeuge umfassend einen Energiespeicher und eine Ladestation mit einem Temperierungssystem, einen Energiespeicher, eine Ladestation, ein Temperierungssystem sowie ein Kraftfahrzeug. The present invention relates to an electric charging system for motor vehicles comprising an energy store and a charging station with a Temperierungssystem, an energy storage, a charging station, a Temperierungssystem and a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Batteriemodule stellen wiederaufladbare elektrische Energiespeicher dar, die einen breiten Einsatz in tragbaren Konsumgeräten und insbesondere in automobilen Anwendungen finden, wobei Lithium-Ionen-Batterien bzw. -Akkumulatoren als Schlüsseltechnologie für die teilweise oder vollständige Elektrifizierung von Fahrzeugen gelten, da diese sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung auszeichnen. So werden diese als Energiespeicher für den Antrieb in Hybrid- und Elektrofahrzeugen genutzt. Battery modules are rechargeable electrical energy storage devices that are widely used in portable consumer devices, and in particular in automotive applications, with lithium-ion batteries or accumulators being considered a key technology for the partial or complete electrification of vehicles, as a result of their high performance Distinguish energy densities and extremely low self-discharge. So they are used as energy storage for the drive in hybrid and electric vehicles.

Diese Energiespeicher bestehen aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die mindestens eine positive und negative Elektrode (Kathode bzw. Anode) besitzen +und die Lithium-Ionen (Li) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können. Die Zellen werden elektrisch seriell und/oder parallel verschaltet und üblicherweise durch ein Batteriemanagementsystem überwacht.These energy stores consist of several lithium-ion cells, which have at least one positive and negative electrode (cathode or anode) + and the lithium ions (Li) reversibly on (intercalation) or outsource (deintercalation) can. The cells are electrically connected in series and / or in parallel and are usually monitored by a battery management system.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden bevorzugt in einem konstant gehaltenen Temperaturbereich betrieben, um eine optimale Leistung, eine minimale Alterung und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Um diesen Temperaturbereich einhalten zu können, sind die Zellen an ein Thermomanagementsystem angeschlossen. Dieses erwärmt die Zellen, beispielsweise nach dem Start an kalten Tagen, oder kühlt diese, beispielsweise während des Betriebes.Lithium-ion batteries are preferably operated in a constant temperature range to ensure optimum performance, minimum aging and safe operation. To meet this temperature range, the cells are connected to a thermal management system. This heats the cells, for example after starting on cold days, or cools them, for example, during operation.

Eine Vortemperierung eines Elektrofahrzeuges und auch des Energiespeichers kann eine energieaufwendige Kühlung oder Heizung der Batterie während der Fahrt reduzieren. Bei großen Antriebsbatterien für Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybriden ist die thermische Masse der Batterie so hoch, dass auf eine aktive Temperierung während des Fahrbetriebs auch verzichtet werden kann. Es ist ausreichend, die Batterie während des Ladens auf eine geeignete Temperatur vorzukonditionieren. Während des Fahrbetriebs ändert sich die Batterietemperatur dann nur unwesentlich. A pre-tempering of an electric vehicle and the energy storage can reduce energy-consuming cooling or heating of the battery while driving. In the case of large drive batteries for electric vehicles or plug-in hybrids, the thermal mass of the battery is so high that an active temperature control during driving operation can also be dispensed with. It is sufficient to pre-condition the battery to a suitable temperature during charging. During driving, the battery temperature then changes only insignificantly.

Zur Temperierung werden die Batteriezellen bzw. deren Module oder allgemeiner formuliert der Energiespeicher üblicherweise mit ihrer Unterseite gegen eine Kühl- oder Kälteplatte gepresst, über welche die Wärme abgeführt oder auch zugeführt werden kann. Dazu können diese Platten luft- oder fluiddurchströmt sein und, abhängig vom Grad der geforderten Kühlleistung, beispielsweise mit Wasser/Glykol-Gemischen bzw. verdampfendem Kältemittel beaufschlagt werden. For tempering the battery cells or their modules or more generally formulated the energy storage are usually pressed with its underside against a cooling or cooling plate, through which the heat dissipated or can be supplied. These plates may be air or fluid flows through and, depending on the degree of required cooling capacity, for example, be applied to water / glycol mixtures or evaporating refrigerant.

Die Heizung erfolgt nach dem Stand der Technik über elektrische Zuheizer in der Kühlflüssigkeit. Beim Laden der Batterie wird dieser Heizer direkt mit dem Strom aus der Ladestation betrieben.The heating takes place according to the prior art via electrical heaters in the coolant. When charging the battery, this heater is operated directly with the power from the charging station.

Für die Kühlung kann auch direkt die Energie aus einer Ladestation verwendet werden oder beim Laden wird die Klimaanlage aktiv, und ein im Fahrzeug verbauter Lüfter zieht die kalte Luft aus der Fahrzeugklimaanlage durch die Batterie.For cooling, the energy from a charging station can also be used directly, or when charging the air conditioning is activated, and a built-in fan in the vehicle pulls the cold air from the vehicle air conditioner through the battery.

Es ist auch bekannt, Tauschbatterien während des Ladens ebenfalls zu kühlen. Hierbei wird die Batterie aus dem Fahrzeug genommen und in einem klimatisierten Ladebereich aufgeladen. Kühlsysteme unter Nutzung von Peltierelementen werden ebenfalls eingesetzt, die mit Strom beim Laden und alternativ im Betrieb aus der Batterie funktionieren.It is also known to also cool replacement batteries during charging. In this case, the battery is removed from the vehicle and charged in an air-conditioned charging area. Cooling systems using Peltier elements are also used which function with charging current and alternatively battery operation.

Bei Flüssigkühlsystemen ist es auch möglich, diese beim Laden an ein externes System anzukoppeln. Hierbei wären aber mindestens 2 Anschlüsse notwendig, da der Stromanschluss getrennt vom Kühlflüssigkeitsanschluss erfolgen muss. Hierbei ist die Gefahr von Leckagen gegeben, sodass Kühlflüssigkeit austreten und Luft ins System gelangen kann.In liquid cooling systems, it is also possible to couple them to an external system during charging. However, this would require at least 2 connections, since the power connection must be made separately from the coolant connection. There is a risk of leakage, so that coolant can escape and air can enter the system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein elektrisches Ladesystem für einen Energiespeicher, der vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug integriert ist, mit einer Ladestation mit einem Temperierungssystem zur Verfügung gestellt, wobei der Energiespeicher und das Temperierungssystem temporär, d. h. vorzugsweise während des Ladevorgangs, aber auch unabhängig vom Ladevorgang, thermisch mittels einer forcierten Luftbewegung und/oder mittels eines Infrarotstrahlers miteinander gekoppelt sind.According to the invention, an electric charging system for an energy store, which is preferably integrated in a motor vehicle, provided with a charging station with a Temperierungssystem, wherein the energy storage and the Temperierungssystem temporarily, d. H. preferably during the charging process, but also independently of the charging process, are thermally coupled together by means of a forced air movement and / or by means of an infrared radiator.

Kopplung bedeutet in diesem Zusammenhang keine physische Kopplung wie beispielsweise durch zwei Bauteile eines LadesystemsCoupling in this context means no physical coupling such as by two components of a charging system

Bei dem Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um ein Batteriemodul, das besonders bevorzugt ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist.The energy store is preferably a battery module, which is particularly preferably a lithium-ion accumulator.

Vorteilhafterweise erfolgt dadurch eine Temperierung des Energiespeichers bzw. des Batteriemoduls während des Ladens an einer erfindungsgemäß ausgestalteten Ladestation oder auch unabhängig vom Ladevorgang, ohne dass direkt Strom aus der Ladestation dafür verwendet werden muss. Advantageously, this results in a temperature of the energy storage device or the battery module during charging at a charging station designed according to the invention or even independently of the charging process, without that directly from the charging station must be used for it.

Außerdem können vorteilhafterweise im Bereich des Energiespeichers bzw. des Batteriemoduls die zur Temperierung während der Fahrt erforderlichen Komponenten reduziert oder auch ganz eingespart werden. Dadurch wird der Energieverbrauch während der Fahrt des Fahrzeuges reduziert. Zudem steht für die Ladung des Batteriemoduls selbst mehr Energie zur Verfügung, da keine Nebenaggregate zum Heizen oder Kühlen verwendet werden müssen, sodass die Ladung insgesamt schneller erfolgen kann. In addition, advantageously, in the area of the energy store or the battery module, the components required for temperature control while driving can be reduced or even completely saved. This reduces energy consumption while the vehicle is being driven. In addition, more energy is available to charge the battery module itself, since no ancillary units need to be used for heating or cooling, so that the charge can be done faster overall.

Die forcierte Luftbewegung wird vorzugsweise über ein Gebläse bereitgestellt, das im Bodenbereich der Ladestation angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Gebläse im Boden in einer Vertiefung angeordnet und von einem Gitter überdeckt, sodass es vom Fahrzeug problemlos überfahren werden kann.The forced air movement is preferably provided via a fan which is arranged in the bottom region of the charging station. Preferably, the fan is arranged in the bottom in a recess and covered by a grid, so that it can be easily run over by the vehicle.

Zur Abgrenzung des Luftstrahls wird die gleiche Technik eingesetzt wie beispielsweise bei Zugängen zu Kaufhäusern, bei denen durch einen Luftstrahl ein Abriss der Luftkante erfolgt.To delineate the air jet, the same technique is used as for example at entrances to department stores, where an air jet breaks down the edge of the air.

Vorzugsweise kann eine Absaugung der Luftmassen unter dem Fahrzeug mittels einer entsprechenden Einrichtung erfolgen, sodass die erwärmte/gekühlte Luft im Kreislauf geführt werden kann.Preferably, an extraction of the air masses under the vehicle by means of a corresponding device, so that the heated / cooled air can be recycled.

Diese Einrichtung ist ebenfalls im Bodenbereich der Ladestation, vorzugsweise in einer von einem Gitter oder dergleichen überdeckten Vertiefung im Boden angeordnet.This device is also arranged in the bottom region of the charging station, preferably in a recess covered by a grid or the like in the ground.

Ferner sind vorzugsweise Mittel zur Ausrichtung der Luftströmung vorgesehen, die mit Sensoren gekoppelt sein können, die Größe und Position des Fahrzeuges erkennen können.Further, means are preferably provided for aligning the air flow, which may be coupled to sensors that can detect the size and position of the vehicle.

Um den Wärmeübergang im Bereich des Energiespeichers bzw. des Batteriemoduls zu optimieren, ist dieses vorzugsweise mit Rippen oder dergleichen zur Vergrößerung der Oberfläche ausgestattet. In order to optimize the heat transfer in the region of the energy store or the battery module, this is preferably equipped with ribs or the like to increase the surface area.

Ebenso kann der Energiespeicher über ein schwarzes Gehäuse verfügen, um eine Optimierung der Temperierung durch eine Infrarotlichtquelle zu erzielen. Likewise, the energy storage device can have a black housing in order to achieve an optimization of the temperature control by an infrared light source.

Alternativ kann die Temperierung des Energiespeichers bzw. des Batteriemoduls über einen üblicherweise in Fahrzeugen vorhandenen Wärmeüberträger in der Front des Fahrzeuges, der sonst während der Fahrt für Kühlung sorgen kann, erfolgen, der dann vom Luftstrom angeströmt oder von der Infrarotlichtquelle bestrahlt wird.Alternatively, the temperature of the energy store or the battery module via a usually present in vehicles heat exchanger in the front of the vehicle, which can otherwise provide cooling while driving, take place, which is then streamed by the air flow or irradiated by the infrared light source.

Mit dem erfindungsgemäßen Ladesystem ist sowohl eine Erwärmung, Luft ist in diesem Fall mindestens 10°C wärmer als die Umgebung, als auch eine Abkühlung möglich, Luft ist dann mindestens 10°C kühler. With the charging system according to the invention is both a warming, air is in this case at least 10 ° C warmer than the environment, as well as a cooling possible, air is then at least 10 ° C cooler.

Die Temperatur des Energiespeichers bzw. des Batteriemoduls kann mittels eines Temperatursensors, vorzugsweise mittels eines IR-Thermometers ermittelt werden, das Teil einer Steuerung ist, die im Fahrzeug und/oder im Ladesystem angeordnet ist, wobei gegebenenfalls beide Steuerungen durch eine Fahrzeug-zu-Ladestation-Kommunikation (drahtlos oder über die Ladeverbindung) gekoppelt sind, wobei auch zusätzliche Daten wie der Fahrzeugtyp übertragen werden können, die eventuell benötigt werden.The temperature of the energy store or the battery module can be determined by means of a temperature sensor, preferably by means of an IR thermometer, which is part of a controller which is arranged in the vehicle and / or in the charging system, where appropriate, both controls by a vehicle-to-charging station Communication (wireless or via the charging connection) are coupled, while also additional data such as the vehicle type can be transmitted, which may be needed.

Eine derartige erfindungsgemäße Ausbildung hat den Vorteil, dass eine Integrierung des Batteriemoduls in einen fahrzeugseitigen Kühl-/Kältemittelkreislauf nicht erforderlich ist und nur während eines Ladevorgangs ein Wärmeaustausch zwischen dem Batteriemodul und einem externen Temperierungssystem stattfinden kann. Damit sind auch keine nach außen aus dem Batteriemodul herausführenden, lösbaren, hydraulischen Anschlüsse an einen fahrzeugseitigen Kühl-/Kältemittelkreislauf mehr vorhanden, und es reduziert sich daher das Risiko für mögliche Leckagen bei Integration des Batteriemoduls in ein Kühlsystem eines Elektrokraftfahrzeuges oder Hybridfahrzeuges.Such a construction according to the invention has the advantage that an integration of the battery module in a vehicle-side cooling / refrigerant circuit is not required and only during a charging process, a heat exchange between the battery module and an external Temperierungssystem can take place. Thus, no outwardly leading out of the battery module, detachable hydraulic connections to a vehicle-side cooling / refrigerant circuit more available, and it therefore reduces the risk of possible leakage when integrating the battery module in a cooling system of an electric motor vehicle or hybrid vehicle.

Dadurch reduzieren sich nicht nur die Komponentenkosten für ein einzelnes Fahrzeug, sondern auch die Gesamtsystemkosten für eine Flotte von Elektrokraftfahrzeugen.This not only reduces the component cost of a single vehicle, but also the overall system cost of a fleet of electric vehicles.

Es ist bekannt, dass der Betrieb eines Elektrokraftfahrzeuges oder Hybridfahrzeuges wesentlich durch die Umgebungstemperatur beeinflusst wird, wobei zu hohe oder zu niedrige Temperaturen die Batterie schädigen, ihre Lebensdauer vermindern oder ihren Ladezustand schnell verschlechtern können. Die Einhaltung eines optimalen Temperaturfensters ist mit der erfindungsgemäßen Lösung auf einfachem Wege durchführbar.It is known that the operation of an electric motor vehicle or hybrid vehicle is significantly affected by the ambient temperature, too high or too low temperatures can damage the battery, reduce their life or quickly deteriorate their state of charge. The maintenance of an optimum temperature window can be carried out with the solution according to the invention in a simple way.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes elektrisches Ladesystem und einen Energiespeicher zur Bereitstellung einer Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug umfasst. Der Energiespeicher ist hier vorzugsweise als ein Batteriemodul, beispielsweise als ein Lithium-Ionen-Akkumulator ausgeführt.The invention also relates to an energy supply system for a motor vehicle, which comprises an inventive electric charging system and an energy storage device for providing a drive power for the motor vehicle. The energy store is here preferably designed as a battery module, for example as a lithium-ion battery.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:

1 in einer Teilansicht von der Seite ein Kraftfahrzeug an einer erfindungsgemäßen Ladestation, und 1 in a partial view from the side of a motor vehicle at a charging station according to the invention, and

2 in einer Ansicht von der Seite ein Kraftfahrzeug an einer erfindungsgemäßen Ladestation nach einer zweiten Ausführungsform. 2 in a view from the side of a motor vehicle at a charging station according to the invention according to a second embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, das Teil eines nur teilweise wiedergegebenen erfindungsgemäßen elektrischen Ladesystems ist. Im Bodenbereich befindet sich eine von einem Gitter 11 überdeckte Vertiefung, in der ein Gebläse angeordnet ist, das eine forcierte Luftbewegung zur Temperierung eines im Kraftfahrzeug befindlichen Energiespeichers hervorbringt. Das Kraftfahrzeug 10 ist nach dieser Ausführungsform derart in Relation zum Gitter 11 positioniert, dass die Front des Kraftfahrzeugs 10 angeströmt wird, wo sich üblicherweise ein Wärmeüberträger befindet, der sonst während der Fahrt für Kühlung sorgt. Der Luftstrom ist durch einen Pfeil 12 verdeutlicht. Unterhalb des Kraftfahrzeugs 10 ist ein zweites Gitter 13 befindlich, das eine weitere Vertiefung im Boden überdeckt, in der eine Absaugvorrichtung angeordnet ist. Die Absaugvorrichtung nimmt den Luftstrom nach dem Anströmen des Wärmeüberträgers wieder auf. In diesem Bereich ist der Luftstrom durch Pfeile 14 symbolisiert. 1 shows a motor vehicle 10 , which is part of an only partially reproduced electric charging system according to the invention. In the floor area is one of a grid 11 covered depression, in which a fan is arranged, which brings about a forced air movement for the temperature control of a motor vehicle in the energy storage. The car 10 is according to this embodiment, in relation to the grid 11 positioned that front of the motor vehicle 10 is streamed, where usually a heat exchanger is, which otherwise provides cooling while driving. The airflow is through an arrow 12 clarified. Below the motor vehicle 10 is a second grid 13 located, which covers a further depression in the ground, in which a suction device is arranged. The suction device takes the air flow after the flow of the heat exchanger again. In this area the air flow is indicated by arrows 14 symbolizes.

Bei der Ausführungsform gemäß 2 befinden sich das mit einem Gitter 11 überdeckte Gebläse sowie die ebenfalls von einem Gitter 13 überdeckte Absaugvorrichtung unterhalb des Kraftfahrzeugs 10, wobei der Luftstrom 12 des Gebläses und der abgesaugte Luftstrom 14 wieder durch Pfeile wiedergegeben sind. In diesem Fall wird ein Energiespeicher 15, der im Bodenbereich des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet ist, angeströmt. In the embodiment according to 2 are that with a grid 11 covered blower and also from a grid 13 covered exhaust device below the motor vehicle 10 , where the air flow 12 the blower and the extracted air stream 14 again represented by arrows. In this case, an energy storage 15 in the floor area of the motor vehicle 10 is arranged, streamed.

Claims (8)

Elektrisches Ladesystem für einen Energiespeicher (15) in einem Kraftfahrzeug mit einer Ladestation mit einem Temperierungssystem zur thermischen Kopplung an den Energiespeicher, wobei das Temperierungssystem dazu ausgelegt ist, temporär eine forcierte Luftbewegung (12) und/oder eine Infrarotstrahlung an den Energiespeicher abzugeben.Electric charging system for an energy storage device ( 15 ) in a motor vehicle having a charging station with a temperature control system for thermal coupling to the energy store, wherein the temperature control system is designed to temporarily a forced air movement ( 12 ) and / or emit infrared radiation to the energy store. Elektrisches Ladesystem nach Anspruch 1, wobei die forcierte Luftbewegung (12) über ein Gebläse bereitgestellt wird, das im Bodenbereich der Ladestation angeordnet ist. An electric charging system according to claim 1, wherein the forced air movement ( 12 ) is provided via a fan which is arranged in the bottom region of the charging station. Elektrisches Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei Mittel zur Ausrichtung der forcierten Luftbewegung (12) vorgesehen sind, die mit Sensoren gekoppelt sein können, die Größe und Position eines Kraftfahrzeuges (10) erkennen können.Electrical charging system according to claim 1 or 2, wherein means for aligning the forced air movement ( 12 ), which may be coupled to sensors, the size and position of a motor vehicle ( 10 ) can recognize. Elektrisches Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Mittel zur Absaugung der Luftströmung (14) vorgesehen sind. Electrical charging system according to one of claims 1 to 3, wherein means for sucking the air flow ( 14 ) are provided. Elektrisches Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Einrichtungen zur Ermittlung der Temperatur des Energiespeichers (15) vorhanden sind. Electrical charging system according to one of claims 1 to 4, wherein means for determining the temperature of the energy store ( 15 ) available. Elektrisches Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ladesystem eine Steuerung aufweist. An electric charging system according to any one of claims 1 to 5, wherein the charging system comprises a controller. Energieversorgungsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und mit einem Energiespeicher zur Bereitstellung einer Antriebsleistung für ein Kraftfahrzeug.Energy supply system for a motor vehicle with an electric charging system according to one of claims 1 to 6, and with an energy storage device for providing a drive power for a motor vehicle. Energieversorgungsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (15) als ein Batteriemodul, vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ausgeführt ist.Energy supply system according to claim 7, characterized in that the energy store ( 15 ) is designed as a battery module, preferably a lithium-ion battery.
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