DE102013013291A1 - Energy storage module with supercapacitors - Google Patents
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Abstract
Energiespeichermodul mit Superkondensatoren, wobei jeder der Superkondensatoren aus einem im Wesentlichen quaderförmigen, zumindest teilweise verformbaren Kondensatorpaket gebildet ist, das in einer verschlossenen Folientasche aufgenommen ist, mehrere der Superkondensatoren mit ihren jeweiligen Boden- und Deckflächen übereinander gestapelt angeordnet sind, jedem der Superkondensatoren zumindest an einer seiner Boden- oder Deckflächen ein Kühlblech zugeordnet ist, das in seiner Formgebung der Form der Boden- oder Deckflächen des Superkondensators zumindest teilweise entspricht, uns zwischen den Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren und dem jeweiligen der Kühlbleche eine den Wärmeübergang von den Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren zu dem jeweiligen der Kühlbleche verbessernde Schicht angeordnet ist.Energy storage module with supercapacitors, each of the supercapacitors is formed from a substantially cuboidal, at least partially deformable capacitor package, which is accommodated in a closed foil bag, several of the supercapacitors are stacked with their respective bottom and top surfaces stacked, each of the supercapacitors at least at one its bottom or top surfaces a cooling plate is assigned, which at least partially corresponds in shape to the shape of the bottom or top surfaces of the supercapacitor, us between the bottom or top surfaces of the supercapacitors and the respective one of the cooling plates, the heat transfer from the bottom or top surfaces the supercapacitor is arranged to the respective cooling plates improving layer.
Description
Hintergrund, Stand der TechnikBackground, prior art
Nachstehend ist ein Energiespeichermodul mit Superkondensatoren beschrieben. Insbesondere geht es um ein Energiespeichermodul zum Einsatz in Elektromobilitätslösungen oder Avionikanwengungen.An energy storage module with supercapacitors is described below. In particular, it is about an energy storage module for use in electric mobility solutions or Avionikanwengungen.
Wurden bis vor kurzem vor allem Bleiakkus und Nickel-Metallhydrid Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge verwendet, so kommen in aktuellen Elektroautos vermehrt Lithium-Ionen Akkus zum Einsatz. Diese bieten vor allem deutliche Vorteile in Bezug auf Energiedichte, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Volumen und Gewicht. Neben den Lithium-Ionen Batterien sind zunehmend auch Lithium-Polymer-Akkus für Elektrofahrzeuge im Einsatz.Whereas until recently lead-acid batteries and nickel-metal hydride batteries were used for hybrid and electric vehicles, current electric cars increasingly use lithium-ion batteries. These offer significant advantages in terms of energy density, reliability, safety, volume and weight. In addition to the lithium-ion batteries are increasingly lithium-polymer batteries for electric vehicles in use.
Die Reichweite eines Elektroautos ist bisher vor allem von der Kapazität und Leistung des Akkus abhängig. Eine sich zunehmend verbreitende Alternative zu Akkus sind sogenannte Superkondensatoren, die den Strom elektrisch statt elektrochemisch speichern. Die Ladezeit ist bei Superkondensatoren enorm verkürzt, da ein solcher Kondensator innerhalb weniger Sekunden vollständig aufgeladen ist, während dies bei einem Lithium-Ionen-Akku einige Stunden dauern kann.The range of an electric car so far depends mainly on the capacity and performance of the battery. An increasingly popular alternative to batteries are so-called supercapacitors, which store the electricity electrically instead of electrochemically. Charging time is enormously shortened for supercapacitors, since such a capacitor is fully charged within a few seconds, while for a lithium-ion battery this can take several hours.
Sogenannte Super- oder Ultrakondensatoren genannte Anordnungen sind elektrochemische oder Doppelschichtkondensatoren, die elektrische Energie in zwei in Serie geschalteten Kondensatoren aus je einer elektrischen Doppelschicht speichern, die sich zwischen den beiden Elektroden des Kondensators sowie den Ionen in Elektrolyten ausbildet. Der Abstand, in welchem die Ladungstrennung erfolgt, beträgt nur einige Angstrom. Als Elektroden kommt dort in der Regel hochporöser Kohlenstoff mit einer inneren Oberfläche bis zu 2500 m2/g und, auch durch den Einsatz von Nanostrukturen mehr, zum Einsatz. Superkondensatoren speichern elektrische Energie mit zwei unterschiedlichen Speicherprinzipien, der statischen Speicherung in Helmholtz-Doppelschichten an der Phasengrenze zwischen Elektrodenoberflächen und Elektrolyt in einem Doppelschichtkondensator und der elektrochemischen Speicherung durch faradayschen Ladungstausch mit Hilfe von Redoxreaktionen auf den Oberflächen der Elektroden in einem idealisierten Pseudokondensator. Bei Doppelschichtkondensatoren überwiegt der Anteil der statischen Doppelschichtkapazität deutlich, während der Anteil an faradayscher Pseudokapazität sehr gering ist. Pseudokondensatoren sind Superkondensatoren mit überwiegender Pseudokapazität und sehr viel geringerem Anteil an Doppelschichtkapazität. Hybridkondensatoren weisen sowohl eine große Doppelschicht- als auch eine große Pseudokapazität auf.So-called super or ultra-capacitors called arrangements are electrochemical or double-layer capacitors, which store electrical energy in two series-connected capacitors each consisting of an electric double layer, which forms between the two electrodes of the capacitor and the ions in electrolytes. The distance in which the charge separation takes place is only a few Angstrom. Highly porous carbon with an internal surface area of up to 2500 m 2 / g is usually used as the electrode and, even more so, by the use of nanostructures. Supercapacitors store electrical energy with two different storage principles, static storage in Helmholtz bilayers at the phase boundary between electrode surfaces and electrolyte in a double-layer capacitor, and Faraday charge transfer electrochemical storage using redox reactions on the surfaces of the electrodes in an idealized pseudocondenser. In the case of double-layer capacitors, the proportion of the static double-layer capacitance clearly predominates, while the proportion of faraday pseudo-capacitance is very small. Pseudocapacitors are supercapacitors of predominant pseudocapacity and much less bilayer capacity. Hybrid capacitors have both a large double-layered and a large pseudo-capacitance.
Die Leistungsdichte und Energiedichte von Superkondensatoren wird als kW/kg oder als Volumenleistungsdichte in kW/cm3 angegeben. Sie sind durch die Wärmeentwicklung bei der Strombelastung über den Innenwiderstand bestimmt. Hohe Leistungsdichten ermöglichen Anwendungen zur Pufferung von Verbrauchern (Energiespeicher), die kurzzeitig einen hohen Strom benötigen oder abgeben (z. B. Rekuperationsbremsungen). Die Energiedichte ist das Maß für die speicherbare elektrische Energie. Sie wird als Energiedichte in Wh/kg oder kWh/kg oder in Wh/cm3 oder kWh/cm3 angegeben.The power density and energy density of supercapacitors is given as kW / kg or as volume power density in kW / cm 3 . They are determined by the heat development at the current load via the internal resistance. High power densities enable applications for buffering consumers (energy storage), which require or give off a high current for a short time (eg recuperation braking). The energy density is the measure of the storable electrical energy. It is given as energy density in Wh / kg or kWh / kg or in Wh / cm 3 or kWh / cm 3 .
Superkondensatoren haben eine hohe Leistungsdichte, die sich in den technisch realisierbaren sehr hohen Lade- und Entladeströmen widerspiegelt, sowie lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit, hohen Wirkungsgrad und Wartungsfreiheit. Sie sind daher für die Rekuperation von Bremsenergie geeignet. Außerdem enthalten sie keine giftigen Materialien.Supercapacitors have a high power density, which is reflected in the technically feasible very high charge and discharge currents, as well as long life, reliability, high efficiency and freedom from maintenance. They are therefore suitable for the recuperation of braking energy. In addition, they contain no toxic materials.
Die Größe der beim Laden und Entladen (Zyklusbetrieb) fließenden Ströme und die Häufigkeit von Lade- und Entladezyklen bestimmen die interne Erwärmung der Kondensatoren. Zusammen mit der Umgebungstemperatur ergibt sich dadurch die Kondensatortemperatur. Diese ist für die Lebensdauer der Kondensatoren bestimmend. Die Änderungen der elektrischen Parameter hängen direkt mit der Kondensatortemperatur zusammen. Der Zyklusbetrieb beeinflusst die elektrischen Parameter. Bei großen Superkondensatoren für Leistungsanwendungen mit einer Kapazität von mehr als 1000 F kann der kurzzeitige maximale Strom über 1000 A betragen. Bei derartig hohen Strömen tritt eine starke interne Erwärmung der Kondensatoren auf, wobei die Wärmeausdehnung einen zusätzlichen Stressfaktor bildet. Außerdem entstehen auch noch starke elektromagnetische Kräfte mit Auswirkung auf die mechanische Festigkeit der Elektroden-Kollektor-Verbindung.The magnitude of the currents flowing during charging and discharging (cycle operation) and the frequency of charging and discharging cycles determine the internal heating of the capacitors. Together with the ambient temperature, this results in the condenser temperature. This is decisive for the life of the capacitors. The changes in the electrical parameters are directly related to the condenser temperature. Cycle operation affects the electrical parameters. For large supercapacitors for power applications with a capacity greater than 1000 F, the short-time maximum current may be greater than 1000 A. At such high currents, a strong internal heating of the capacitors occurs, wherein the thermal expansion forms an additional stress factor. In addition, even strong electromagnetic forces with an effect on the mechanical strength of the electrode-collector connection arise.
Die Lebensdauer von Superkondensatoren hängt wesentlich von der Betriebsspannung und von der Betriebstemperatur ab. Während des Betriebes von Superkondensatoren verringert sich im Laufe der Zeit die Kapazität, und der Innenwiderstand erhöht sich. Dies liegt am auch wärmebedingten Verdunsten des Elektrolyten durch die Abdichtung hindurch als auch an wärmebeförderten chemischen Prozessen, die zur Veränderung der Eigenschaften der Kollektoren, der Elektroden und des Elektrolyten führen. Die Wärmeentwicklung und der Innenwiderstand sind linear miteinander verknüpft. Ein höherer Innenwiderstand lässt die Verlustwärme ansteigen, was zu einer unzulässige Gasdruckentwicklung im Kondensator führen könnte.The lifetime of supercapacitors depends largely on the operating voltage and the operating temperature. During operation of supercapacitors, the capacity decreases over time and the internal resistance increases. This is due to the heat-induced evaporation of the electrolyte through the seal as well as heat-promoted chemical processes that lead to changes in the properties of the collectors, the electrodes and the electrolyte. The heat development and the internal resistance are linked linearly. A higher internal resistance causes the heat loss to increase, which could lead to an impermissible gas pressure development in the condenser.
Die Lebensdauer verdoppelt sich in etwa pro 10°K niedrigere Betriebstemperatur, weil die Änderungen der elektrischen Parameter entsprechend langsamer verlaufen. The lifetime is approximately doubled per 10 ° K lower operating temperature because the changes in the electrical parameters are correspondingly slower.
Auch die Betriebsspannung beeinträchtigt die Lebensdauer von Superkondensatoren. Insbesondere bei Superkondensatoren, deren Kapazität sich aus einem sehr hohen Anteil an Redox-Pseudokapazität ergibt, können hohe Lade- und Entladeströme auch noch eine Korrosion der Kollektoren hervorrufen. Solche Prozesse werden durch hohe Temperaturen beschleunigt, die beim häufigen Laden und Entladen entstehen.The operating voltage also affects the life of supercapacitors. Particularly in the case of supercapacitors whose capacitance results from a very high proportion of redox pseudocapacity, high charge and discharge currents can also cause a corrosion of the collectors. Such processes are accelerated by high temperatures that occur during frequent charging and discharging.
Zugrundeliegendes ProblemUnderlying problem
Ausgehend von diesen Problemen ist das Ziel, ein auf die Bedürfnisse von Elektromobilitätslösungen angepasste, kompakt bauendes, möglichst leichtes und hocheffizientes Energiespeichermodul mit Superkondensatoren bereit zu stellen.Based on these problems, the goal is to provide a compact, lightweight, and highly efficient energy storage module with supercapacitors adapted to the needs of electromobility solutions.
Lösungsolution
Um dieses Ziel zu erreichen wird ein Energiespeichermodul mit Superkondensatoren vorgeschlagen, bei dem jeder der Superkondensatoren aus einem im Wesentlichen quaderförmigen, zumindest teilweise verformbaren Kondensatorpaket gebildet ist, das in einer verschlossenen Folientasche aufgenommen ist. Mehrere der Superkondensatoren mit ihren jeweiligen Boden- und Deckflächen aneinander angrenzend (über- oder nebeneinander) gestapelt angeordnet sind. Jedem der Superkondensatoren ist zumindest an einer seiner Boden- oder Deckflächen ein Kühlblech zugeordnet, das in seiner Formgebung der Form der Boden- oder Deckflächen des Superkondensators zumindest teilweise entspricht. Zwischen den Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren und dem jeweiligen der Kühlbleche eine den Wärmeübergang von den Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren zu dem jeweiligen der Kühlbleche verbessernde Schicht angeordnet ist.In order to achieve this goal, an energy storage module with supercapacitors is proposed, in which each of the supercapacitors is formed from a substantially parallelepiped, at least partially deformable capacitor package, which is accommodated in a closed film pocket. Several of the supercapacitors with their respective bottom and top surfaces are stacked adjacent to each other (over or next to each other). Each of the supercapacitors is associated with a cooling plate at least at one of its bottom or top surfaces, which corresponds in shape at least partially to the shape of the bottom or top surfaces of the supercapacitor. Between the bottom or top surfaces of the supercapacitors and the respective one of the cooling plates, there is arranged a layer which improves the heat transfer from the bottom or top surfaces of the supercapacitors to the respective one of the cooling plates.
Eigenschaften und Ausgestaltungen des EnergiespeichermodulsProperties and configurations of the energy storage module
Die Kühlbleche bewirken einerseits eine erheblich verbesserte Wärmeableitung aus den Superkondensatoren, wodurch die oben beschriebenen Nachteile der erhöhten Betriebstemperatur zumindest stark vermindert werden. Durch entsprechende Auslegung der Kühlbleche aus Aluminium, Kupfer, Keramik (zum Beispiel Aluminiumnitridkeramik) und die der Form der Superkondensatoren gegengleich entsprechende Gestalt der Kühlbleche ist die Entwärmung der Superkondensatoren um bis zu 50% und mehr gegenüber lediglich luftgekühlten Anordnungen verbessert. Außerdem erlaubt das Vorsehen der Kühlbleche auch eine mechanisch stabilere, vibrations-, stoß- und rüttelfestere Anordnung der Superkondensatoren in dem Energiespeichermodul. Damit kann auch die Standfestigkeit und die Lebensdauer des Energiespeichermoduls verbessert werden. Die den Wärmeübergang verbessernde Schicht zwischen den Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren gleicht Unterschiede zwischen den Oberflächen der Superkondensatoren und dem jeweiligen der Kühlbleche aus. Dies ist insofern erheblich, als die Superkondensatoren in ihren Folientaschen nicht starr, sondern etwas flexibel sind, und ihre Oberflächen, insbesondere die Boden- und Deckflächen nicht plan sind und damit eine gute Wärmeübertragung an das Kühlblech ohne diese Schicht nicht gegeben ist.On the one hand, the cooling plates cause considerably improved heat dissipation from the supercapacitors, as a result of which the disadvantages of the increased operating temperature described above are at least greatly reduced. By appropriate design of the cooling plates made of aluminum, copper, ceramic (for example aluminum nitride) and the shape of the supercapacitors opposite equivalent shape of the cooling plates, the cooling of the supercapacitors by up to 50% and more compared to only air-cooled arrangements is improved. In addition, the provision of the cooling plates also allows a mechanically more stable, vibration, shock and vibration resistant arrangement of the supercapacitors in the energy storage module. Thus, the stability and the life of the energy storage module can be improved. The heat transfer enhancing layer between the bottom or top surfaces of the supercapacitors equalizes differences between the surfaces of the supercapacitors and the respective ones of the heatsinks. This is significant insofar as the supercapacitors in their film bags are not rigid, but somewhat flexible, and their surfaces, especially the bottom and top surfaces are not flat and thus good heat transfer to the heat sink without this layer is not given.
Derartige Superkondensatoren in Folientaschen sind von den Firmen, Yunasko aus der Ukraine (zum Beispiel Yunasko 1200 F), und JM Energy aus Japan (zum Beispiel JM Energy ultimo 1100 F oder 2300 F) verfügbar.Such supercapacitors in foil bags are available from the companies, Yunasko from Ukraine (for example Yunasko 1200 F), and JM Energy from Japan (for example JM Energy ultimo 1100 F or 2300 F).
Die den Wärmeübergang verbessernde Schicht zwischen den Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren und dem jeweiligen der Kühlbleche erlaubt eine besonders gleichmäßige, flächendeckende Entwärmung der Superkondensatoren, auch weil sie etwaige Unebenheiten oder Verformungen der Boden- oder Deckflächen der Superkondensatoren ausgleichen kann. Damit kann die Bildung sog. hot spots, also lokaler Wärmenester in den Superkondensatoren vermindert werden, was die Beschädigung der Superkondensatoren durch übermäßige Entgasung im Betrieb vermeidet.The heat transfer improving layer between the bottom or top surfaces of the supercapacitors and the respective of the cooling plates allows a particularly uniform, area-wide cooling of the supercapacitors, also because it can compensate for any unevenness or deformation of the bottom or top surfaces of the supercapacitors. Thus, the formation of so-called. Hot spots, so local heat ester in the supercapacitors are reduced, which avoids the damage of the supercapacitors by excessive degassing during operation.
In einer Variante des Energiespeichermoduls ragen die Kühlbleche an zwei zueinander entgegengesetzten Kanten seitlich über die Superkondensatoren. Alternativ dazu können auch jeweils drei der Kühlbleche zwei der Superkondensatoren einfassen, das heißt dass n Superkondensatoren durch n + 1 Kühlbleche eingefasst sein können, wobei n = {1, 2, 3, 4, ...}.In a variant of the energy storage module, the cooling plates protrude laterally beyond the supercapacitors at two mutually opposite edges. Alternatively, in each case three of the cooling plates can enclose two of the supercapacitors, that is, n supercapacitors can be enclosed by n + 1 cooling plates, where n = {1, 2, 3, 4,.
Insbesondere wenn die Kühlbleche an den zwei zueinander entgegengesetzten Kanten mit einer Wärmesenke thermisch und mechanisch gekoppelt sind, ergibt sich eine sehr gute Entwärmung der Superkondensatoren, aber auch eine besonders stabile mechanische Anordnung.In particular, if the cooling plates are thermally and mechanically coupled to the two mutually opposite edges with a heat sink, there is a very good heat dissipation of the supercapacitors, but also a particularly stable mechanical arrangement.
In einer bevorzugten Variante fassen jeweils zwei der Kühlbleche einen der Superkondensatoren an dessen Boden- und Deckflächen ein. Damit können die Superkondensatoren in einer festen und steifen Einfassung aufgenommen sein. Diese Einfassung verbessert außerdem die Stabilität und die Lebensdauer der Gesamtanordnung und steigert die Wärmeableitung aus den Superkondensatoren über die Kühlbleche an die Wärmesenke(n).In a preferred variant, two of the cooling plates in each case hold one of the supercapacitors on its bottom and top surfaces. This allows the supercapacitors to be housed in a solid and rigid enclosure. This enclosure also improves the stability and life of the overall assembly and enhances the overall design Heat dissipation from the supercapacitors across the heatsinks to the heat sink (s).
Die den Wärmeübergang verbessernde Schicht kann eine Wärmeleitpaste, ein Aluminiumoxid tragendes Silikon, eine Bariumtitanat enthaltende Paste, oder dergl. umfassen.The heat transfer enhancing layer may comprise a thermal grease, an alumina-bearing silicone, a barium titanate-containing paste, or the like.
Das Energiespeichermodul kann in einer Variante derart realisiert sein, dass die Kühlbleche mit ihren entgegengesetzten Kanten jeweils mit einer Wärmesenke verbunden sind, wobei zumindest eine der Wärmesenken von einem Kühlfluid durchströmt ist. Die Verbindung kann dabei durch eine oder mehrere Schweißstellen, Schrauben, Nieten, Klemm- oder Steckverbindungen oder dergl. implementiert sein.The energy storage module can be realized in a variant such that the cooling plates are each connected with their opposite edges to a heat sink, wherein at least one of the heat sinks is flowed through by a cooling fluid. The connection can be implemented by one or more welds, screws, rivets, clamping or plug connections or the like.
Die Kühlbleche können mit den Deckflächen der Superkondensatoren in Kontakt befindliche rechteckige Bereiche aufweisen, von denen gewölbte Fahnen zu abgewinkelten Befestigungs- oder Endabschnitten reichen.The heat sinks may have rectangular areas in contact with the top surfaces of the supercapacitors, from which domed flags extend to angled mounting or end portions.
Kurzbeschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für einen Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist.Other features, properties, advantages and possible modifications will become apparent to those skilled in the art from the following description in which reference is made to the accompanying drawings.
In
In
In
In
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Ein in den Fig. veranschaulichtes Energiespeichermodul
Diese Superkondensatoren
Im vorliegenden Beispiel der
Zwischen den Boden- oder Deckflächen
Die Kühlbleche
Die gewölbten Fahnen
Im vorliegenden Beispiel fassen jeweils drei der Kühlbleche
Die vorangehend beschriebenen Varianten der Verfahren oder der Vorrichtungen sowie deren Funktions- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen den beschriebenen Vorrichtungen zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.The above-described variants of the methods or the devices and their functional and operational aspects serve merely to better understand the structure, the mode of operation and the properties; they do not restrict the revelation to the exemplary embodiments. The figures are partially schematic, wherein essential properties and effects are shown partially enlarged significantly to illustrate the functions, principles of operation, technical features and features. In this case, every mode of operation, every principle, every technical embodiment and every feature which is / are disclosed in the figures or in the text, with all claims, every feature in the text and in the other figures, other modes of operation, principles, technical embodiments and features contained in or arising from this disclosure are combined freely and arbitrarily, so that all conceivable combinations are assigned to the devices described. In this case, combinations between all individual versions in the text, that is to say in every section of the description, in the claims and also combinations between different variants in the text, in the claims and in the figures. Also, the claims do not limit the disclosure and thus the combination options of all identified features with each other. All disclosed features are also explicitly disclosed individually and in combination with all other features herein.
Claims (7)
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