DE102016201026B4 - Method and device for determining a residual capacity of a lead-acid battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (2) durch eine Impedanzmessung bei einer Frequenz, umfassend die Schritte:a) Bereitstellen einer Batterie (2) mit bekannter Nennkapazität, mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letztem Lade-/Entladevorgang (2),b) Ermitteln eines Impedanzwertes (Z) bei genau einer Frequenz f,c) Ermitteln von zwei Auswertegrößen anhand der genau einen ermittelten Impedanz (Z), wobei als Auswertegrößen der Imaginärteil (Z“) und der Phasenwinkel (φ) bestimmt werden,d) Bestimmen eines SOH-Wertes der Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Imaginärteils (Z“) mit mindestens einem Referenzwert,e) Bestimmen eines SOC-Wertes der Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Phasenwinkels (φ) mit mindestens einem Referenzwert undf) Bestimmen der Restkapazität aus dem bestimmten SOH-Wert und dem bestimmten SOC-Wert unter Berücksichtigung der Nennkapazität der Batterie (2).The invention relates to a device (1) and a method for determining a residual capacity of a battery (2) by an impedance measurement at a frequency, comprising the steps of: a) providing a battery (2) of known nominal capacity, with known temperature and known time b) determining an impedance value (Z) at exactly one frequency f, c) determining two evaluation variables on the basis of exactly one impedance (Z) determined, the evaluation quantities being the imaginary part (Z ") and the D) determining a SOH value of the battery (2) based on a comparison of the imaginary part (Z ") with at least one reference value, e) determining an SOC value of the battery (2) on the basis of a comparison of the phase angle (φ) having at least one reference value; and f) determining the remaining capacity from the determined SOH value and the determined SOC value taking into account the rated capacity of the battery (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie.The invention relates to a method and a device for determining a residual capacity of a lead-acid battery.
Die Kenntnis von Zustandsgrößen einer Batterie ist äußerst wichtig, beispielsweise um Betriebsstrategien und/oder deren Austausch festzulegen. Zunächst sollen daher einige Batteriekenngrößen kurz erläutert bzw. definiert werden.The knowledge of state variables of a battery is extremely important, for example, to establish operating strategies and / or their replacement. First, therefore, some battery characteristics are briefly explained or defined.
Die Kapazität einer Batterie ist temperaturabhängig und wird in der Einheit Amperestunde [Ah] angegeben. Sie wird durch Entladung mit dem definierten Strom I20= Nennkapazität/20 [A] bis zum Abschaltkriterium von U = 10,5 V bestimmt. (siehe auch
Nennkapazität K20: Stellt die nominale Kapazität dar, die der Hersteller angibt. Sie ist die mindestens enthaltene Kapazität in [Ah], die in einer neuen Batterie gespeichert ist und bei zwanzigstündiger Entladung mit dem definierten Strom I20 bei einer Temperatur von
Istkapazität KIST: Bezeichnet die maximale Kapazität in [Ah] im aktuellen Alterungszustand der Batterie bei
Restkapazität KREST: Die Restkapazität stellt die Kapazität in [Ah] dar, die im aktuellen Ladungs- und Alterungszustand (Betriebszustand) bei
Der Ladungszustand (SOC, State-of-Charge) einer Batterie ist wie folgt definiert:
Die Definition des Gesundheitszustands (SOH, State-of-Health) einer Batterie lautet:
Der SOC kann maximal 100 % betragen, da KIST die maximale Kapazität darstellt, wobei der Wert des SOHs > 100 % betragen kann, da die maximal mögliche Kapazität KIST einer neuen Batterie meist die vom Hersteller angegebene Nennkapazität K20 übersteigt.The SOC can be a maximum of 100%, since K IST represents the maximum capacity, whereby the value of the SOH can be> 100%, since the maximum possible capacity K IST of a new battery usually exceeds the rated capacity K 20 specified by the manufacturer.
Zur Bestimmung der Restkapazität ohne Entladung müssen SOC und SOH bekannt sein.
Alterungseffekte von Blei-Säure-Batterien stellen irreversible Schäden dar, die sich negativ auf Bauteilfunktion und SOH auswirken. Der Verlust an aktiver Masse bewirkt beispielsweise eine geringere Istkapazität der Batterie und somit eine geringere Energiemenge, die in der Batterie gespeichert werden kann. Verursacht wird der Verlust der Istkapazität durch die zyklische Belastung der Batterie sowie durch Korrosion. Korrosion wird insbesondere durch längere Verweilzeit der Batterie in geringem Ladezustand insbesondere bei hohen Temperaturen begünstigt. Die Folgen der Alterung durch Zyklisierung und Korrosion sind beispielsweise Abschlammung, Oberflächensulfatierung und Bruch von Stegen des stromableitenden Gitters der positiven Elektroden. Eine kostengünstige, schnelle und zuverlässige Bestimmung der aktuellen Restkapazität einer Batterie ist für den Einsatz im Industrie- und Konsumbereich von großer Bedeutung, insbesondere wenn die Batterie nur im Notfall Sicherheitssysteme einer Anlage oder eines Fahrzeuges versorgen muss. Übernimmt die Batterie keine weiteren Funktionen ist eine Überprüfung ihrer aktuellen Leistungsfähigkeit aufgrund der fehlenden, nicht bewertbaren Historie des Verhaltens unter Belastung bislang sehr unsicher oder zeit- und kostenintensiv.Lead-acid battery aging effects irreversible damage that negatively impacts component performance and SOH. The loss of active mass causes, for example, a lower actual capacity of the battery and thus a smaller amount of energy that can be stored in the battery. The loss of the actual capacity is caused by the cyclic loading of the battery as well as by corrosion. Corrosion is promoted in particular by prolonged residence time of the battery in a low state of charge, especially at high temperatures. The consequences of aging due to cyclization and corrosion are, for example, sludge, surface sulfation and breakage of lands of the current-draining grid of the positive electrodes. A cost-effective, fast and reliable determination of the current residual capacity of a battery is of great importance for use in industry and the consumer sector, especially if the battery only in an emergency safety systems of a plant or a vehicle must supply. If the battery does not take on any further functions, a review of its current performance due to the missing, unpredictable history of the behavior under load is so far very uncertain or time and cost intensive.
Aus der
Aus der
- a) Bereitstellen einer Batteriezelle,
- b) Aufnehmen eines Impedanzspektrums der Batteriezelle,
- c) Ermitteln einer Auswertegröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums,
- d) Bestimmen eines Alterungszustandes der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit einem Referenzwert und Übertragung des Ergebnisses für eine Zelle auf die gesamte Batterie, wobei mögliche Unterschiede des Alterungszustandes einzelner Zellen unberücksichtigt bleiben
- a) providing a battery cell,
- b) picking up an impedance spectrum of the battery cell,
- c) determining an evaluation variable based on the measured impedance spectrum,
- d) determining a state of aging of the battery cell based on a comparison of the evaluation value with a reference value and transmission of the result for a cell to the entire battery, whereby possible differences in the aging state of individual cells are disregarded
Die Auswertegröße A wird dabei durch Aufnahme von mindestens zwei Impedanzen oder eines Impedanzspektrums ermittelt. Dabei ist vorzugsweise die Auswertegröße der Betrag der gemessenen Impedanz in Ohm bei einer bestimmten Niederfrequenz und der Referenzwert eine reelle Zahl mit der Einheit Ohm. Als Niederfrequenz kann dabei jede Frequenz ≤ 10 Hz, bevorzugt ≤ 1 Hz, sein. Besonders bevorzugt wird eine Frequenz aus dem Bereich 0,1 Hz bis 0,3 Hz. Dabei wird in der Druckschrift die prinzipielle Anwendung für alle gebräuchlichen Akkumulatortechnologien beschrieben.The evaluation variable A is determined by recording at least two impedances or an impedance spectrum. In this case, the evaluation variable is preferably the amount of the measured impedance in ohms at a certain low frequency and the reference value a real number with the unit ohms. In this case, any frequency can be ≤ 10 Hz, preferably ≤ 1 Hz, as the low frequency. Particularly preferred is a frequency in the range of 0.1 Hz to 0.3 Hz. In the document, the principal application for all conventional accumulator technologies is described.
Allerdings hat sich in praktischen Versuchen ergeben, dass die SOH-Bestimmung bei Blei-Säure-Batterien mit den vorgeschlagenen Verfahrensschritten nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt. Dabei ist anzumerken, dass das beschriebene Verfahren aus
Aus der
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Aus der
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein einfaches, robustes und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie zur Verfügung zu stellen sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zu schaffen.The invention is therefore based on the technical problem of providing a simple, robust and cost-effective method for determining the residual capacity of a lead-acid battery and to provide a device suitable for this purpose.
Die Lösungen des technischen Problems ergeben sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solutions to the technical problem result from a method having the features of
Das Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität umfasst die Verfahrensschritte des Bereitstellens einer Blei-Säure-Batterie mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung sowie des Ermittelns genau eines Impedanzwertes bei genau einer Frequenz f. Aus der ermittelten Impedanz wird der Imaginärteil der Impedanz als Auswertegröße ermittelt, wobei die Bestimmung eines SOH-Wertes der Batterie anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit mindestens einem Referenzwert erfolgt. Dabei wird ausgenutzt, dass Untersuchungen gezeigt haben, dass sich der Realteil der Impedanz insbesondere von Blei-Säure-Batterien in Abhängigkeit vom SOH-Wert nicht-linear verändert und daher messtechnisch nur schwer auswertbar ist. Dies führt dazu, dass auch bei Auswertungen der Gesamtimpedanz die Unterschiede durch den schlecht differenzierenden Realteil abgeschwächt werden. Erfindungsgemäß wird die Unterscheidung an dem sehr viel prägnanteren Imaginärteil vorgenommen, was eine signifikante Verbesserung bei der Bestimmung der SOH-Werte bewirkt. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich mit mehreren Referenzwerten, um den SOH-Wert möglichst genau zu bestimmen. Die Referenzwerte werden dabei empirisch bestimmt und abgelegt und zur Definition von SOH-Bereichen zusammengefasst. Der Begriff SOH-Wert oder SOC-Wert soll daher auch einen Bereich wie beispielsweise SOC = 60 - 70 % umfassen, wenn nicht aus dem Kontext hervorgeht, dass genau ein Wert gemeint ist, wie beispielsweise SOC = 100 %. Liegt dann beispielsweise ein Imaginärteil Z“ zwischen zwei Referenzwerten, so wird diesem ein SOH-Bereich zugeordnet. Dabei ist zu beachten, dass die Referenzwerte bei vergleichbaren Bedingungen aufgenommen werden wie die Imaginärteile zur Bestimmung des SOH-Bereiches eines Prüflings. So ist beispielsweise die Impedanz und auch deren Imaginärteil von der Temperatur, dem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung der Batterie und von der Frequenz abhängig. Die Frequenz kann dabei sehr einfach konstant gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren der SOH-Bestimmung erweist sich in dem bevorzugten Frequenzbereich von f < 10 Hz als unabhängig vom SOC, sodass hauptsächlich Temperatur und Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung zu berücksichtigen sind. Dies kann auch durch Korrekturterme erfolgen. Bevorzugt wird die Probe bei der gleichen Temperatur wie die Referenz vermessen. Ferner erfolgen die Vermessung der Probe und der Referenz bevorzugt im Ruhezustand der Batterie, d.h. min. 0,5 Stunden, bevorzugt 5 bis 12 Stunden, nach letzter Ladung/Entladung. Als Ruhezustand einer Blei-Säure-Batterie wird die Abwesenheit signifikanter Diffusionsprozesse, die unmittelbar nach Lade-/ Entladevorgängen über min. 0,5 Stunden aufgrund von Säuredichteunterschieden in den Elektroden und im freien Elektrolyten ablaufen, definiert.The method for determining the residual capacity comprises the method steps of providing a lead-acid battery of known temperature and known time after last charge / discharge and determining exactly one impedance value at exactly one frequency f. From the impedance determined, the imaginary part of the impedance is determined as an evaluation variable, wherein the determination of a SOH value of the battery is based on a comparison of the evaluation variable with at least one reference value. This exploits the fact that investigations have shown that the real part of the impedance, in particular of lead-acid batteries, changes non-linearly as a function of the SOH value and is therefore difficult to evaluate by measurement. This leads to the fact that even in evaluations of the total impedance, the differences are attenuated by the poorly differentiating real part. According to the invention, the distinction is made on the much more prominent imaginary part, which brings about a significant improvement in the determination of the SOH values. Preferably, the comparison is made with a plurality of reference values in order to determine the SOH value as accurately as possible. The reference values are determined empirically and filed and summarized to the definition of SOH areas. Therefore, the term SOH value or SOC value should also include a range such as SOC = 60-70%, unless it is understood from the context that exactly one value is meant, such as SOC = 100%. If, for example, an imaginary part Z "lies between two reference values, it is assigned an SOH range. It is too Note that the reference values are recorded under similar conditions as the imaginary parts used to determine the SOH range of a device under test. For example, the impedance and also its imaginary part of the temperature, the time after the last charge / discharge of the battery and the frequency depends. The frequency can be kept constant very easily. The method according to the invention of SOH determination proves to be independent of the SOC in the preferred frequency range of f <10 Hz, so that mainly the temperature and time after the last charge / discharge have to be considered. This can also be done by correction terms. Preferably, the sample is measured at the same temperature as the reference. Furthermore, the measurement of the sample and the reference are preferably in the resting state of the battery, ie min. 0.5 hours, preferably 5 to 12 hours, after the last charge / discharge. As a resting state of a lead-acid battery, the absence of significant diffusion processes, the immediately after charging / discharging over min. 0.5 hours due to acid density differences in the electrodes and in the free electrolyte, defined.
Zur Bestimmung des SOC der Batterie wird bei der gleichen Frequenz der Phasenwinkel φ der gemessenen Impedanz als weitere Auswertegröße ermittelt und mit mindestens einem Referenzwert verglichen und ein SOC-Wert zugeordnet. Auch hier gilt, dass vorzugsweise mehrere Referenzwerte vorhanden sind, denen jeweils ein SOC-Bereich zugeordnet ist.To determine the SOC of the battery, the phase angle φ of the measured impedance is determined as the further evaluation variable at the same frequency and compared with at least one reference value and assigned an SOC value. Again, it is preferable that there are more than one reference value, to each of which an SOC range is assigned.
Mittels der so bestimmten SOH- und SOC-Werte kann dann unter Berücksichtigung der bekannten Nennkapazität die Restkapazität bestimmt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine frequenzvariable Strom- oder Spannungsquelle zur Verfügung gestellt werden muss und auch keine Steigungen oder Ortskurven ermittelt werden müssen. Dies vereinfacht sowohl den Aufbau als auch den Rechenaufwand. Daher kann das Verfahren bzw. die Vorrichtung auch on-board in einem Kraftfahrzeug zur Bestimmung der Restkapazität einer Batterie eingesetzt werden.By means of the SOH and SOC values determined in this way, the remaining capacity can then be determined taking into account the known nominal capacity. The advantage of this method is that no frequency-variable current or voltage source must be made available and no gradients or loci must be determined. This simplifies both the structure and the computational effort. Therefore, the method or the device can also be used on-board in a motor vehicle for determining the residual capacity of a battery.
In einer Ausführungsform wird als Vorschritt der Imaginärteil der Impedanz bei der bestimmten Frequenz f mit einem Schwellwert verglichen. Unterschreitet der negative Imaginärteil den Schwellwert, so liegt der SOC bei 100 %. Bei einer bevorzugten Frequenz von f = 10 mHz liegt der Schwellwert bei Blei-Säure-Batterien beispielsweise bei „-0,14 mΩ“. Wird die bestimmte Frequenz so gewählt, dass diese kleiner als f = 10 mHz ist, wird ein kleinerer Schwellwert definiert. Wird der Schwellwert hingegen nicht unterschritten, so wird nachfolgend der SOC über Auswertung des Phasenwinkels φ bestimmt.In one embodiment, as a precursor, the imaginary part of the impedance at the determined frequency f is compared to a threshold value. If the negative imaginary part falls below the threshold value, the SOC is 100%. For example, at a preferred frequency of f = 10 mHz, the threshold for lead-acid batteries is "-0.14 mΩ". If the specific frequency is chosen to be less than f = 10 mHz, a smaller threshold is defined. If, on the other hand, the threshold value is not undershot, the SOC is subsequently determined by evaluating the phase angle φ.
In einer Ausführungsform ist die Frequenz f kleiner als 10 Hz, da oberhalb dieser Frequenz auch die Unterschiede im Imaginärteil sehr gering sind.In one embodiment, the frequency f is less than 10 Hz, since above this frequency, the differences in the imaginary part are very small.
Dabei hat sich gezeigt, dass die Unterschiede im Imaginärteil mit sinkender Frequenz prägnanter werden. Allerdings nimmt dann entsprechend die Messzeit zu. Daher wird in einer Ausführungsform die Frequenz f kleiner als 50 mHz und größer als 0,1 mHz gewählt, besonders bevorzugt 10 mHz.It has been shown that the differences in the imaginary part become more pronounced with decreasing frequency. However, the measuring time increases accordingly. Therefore, in one embodiment, the frequency f is chosen to be less than 50 mHz and greater than 0.1 mHz, more preferably 10 mHz.
Die Vorrichtung umfasst hierzu eine Wechselspannungs- oder -stromquelle, mittels derer eine Spannung oder ein Strom auf die Blei-Säure-Batterie aufprägbar ist, wobei die Aufprägung eines Stromes bevorzugt wird. Die Wechselspannung oder der Wechselstrom ist dabei vorzugsweise sinusförmig. Weiter umfasst die Vorrichtung Mittel zur phasengerechten Erfassung von Spannung und Strom sowie eine Auswerteeinheit, wobei diese derart ausgebildet ist, dass diese aus Spannung und Strom die Impedanz und daraus den Imaginärteil und den Phasenwinkel als Auswertegrößen ermittelt. Weiter ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, dass durch Vergleich der Auswertegrößen mit jeweils mindestens einem Referenzwert ein SOH- und SOC-Wert bestimmt werden. Mittels des SOH- und SOC-Wertes sowie der Nennkapazität ermittelt dann die Auswerteeinheit eine Restkapazität der Batterie.For this purpose, the device comprises an AC voltage or current source, by means of which a voltage or a current can be imparted to the lead-acid battery, the impressing of a current being preferred. The alternating voltage or the alternating current is preferably sinusoidal. Furthermore, the device comprises means for phase-sensitive detection of voltage and current as well as an evaluation unit, which is designed such that it determines the impedance from voltage and current and from this the imaginary part and the phase angle as evaluation variables. Furthermore, the evaluation unit is designed such that an SOH and SOC value can be determined by comparing the evaluation variables with at least one reference value each time. By means of the SOH and SOC value and the nominal capacity, the evaluation unit then determines a residual capacity of the battery.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie, -
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Batterie, -
3 einen beispielhaften Verlauf der Impedanz (Nyquist-Diagramm) einer Blei-Säure- Batterie, -
4 eine Darstellung des Verlaufs des Realteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten, -
5 eine Darstellung des Verlaufs des Imaginärteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten und -
6 eine Darstellung des Verlaufs des Phasenwinkels φ über der Frequenz für unterschiedliche SOC-Werte.
-
1 1 is a schematic block diagram for determining an impedance of a lead-acid battery, -
2 an electrical equivalent circuit diagram of a lead-acid battery, -
3 an exemplary course of the impedance (Nyquist diagram) of a lead-acid battery, -
4 a representation of the course of the real part over the frequency for different SOH values or actual capacities, -
5 a representation of the course of the imaginary part over the frequency for different SOH values or actual capacities and -
6 a representation of the course of the phase angle φ over the frequency for different SOC values.
In der
In der
Induktive Effekte treten bei einer Batterie an Anschlussleitungen und deren Verschaltung, Polverbindern und der Massestruktur auf, was durch die Induktivität L ausgedrückt wird.Inductive effects occur with a battery on leads and their interconnection, pole connectors, and ground structure, which is expressed by the inductance L.
Innerhalb des Blei-Säure-Akkumulators findet die Energiespeicherung innerhalb des Elektrolyten statt. Bei Anlegen einer Überspannung verändert sich durch Stromfluss die Dichteverteilung der Ladungsträger aufgrund der Potentialverschiebung in der Doppelschicht Zum Erreichen eines neuen, stabilen Zustandes wird eine gewisse Zeit benötigt. Die Modellierung dieses physikalischen Verhaltens erfolgt über eine Kapazität C, hier benannt als
Die Kapazität
In der
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In der Darstellung ist erkennbar, dass der Imaginärteil bis zu einer Frequenz von etwa 10 Hz keine Unterscheidung der Istkapazitäten liefern kann. Ab Frequenzen < 10 Hz ist eine größere Differenz der Verläufe ersichtlich als bei der Darstellung in
Dies wird nun erfindungsgemäß für eine Bestimmung des SOH-Wertes ausgenutzt, indem Bereichen von Werten des Imaginärteils Z“ SOH-Wertebereiche zugeordnet werden. Durch die Verwendung von ausreichend großen Bereichen stellen auch Messausreißer kein Problem dar. Dabei erfolgt der Vergleich zwischen Auswertegröße (Imaginärteil Z“) und Referenzwerten bei einer festen Frequenz (z.B. 10 mHz) und gleicher Temperatur im Ruhezustand der Batterie.This is now utilized according to the invention for determining the SOH value by assigning regions of values of the imaginary part Z "SOH value ranges. By using sufficiently large areas, measurement outliers pose no problem, whereby the comparison between the evaluation quantity (imaginary part Z ") and reference values takes place at a fixed frequency (for example 10 mHz) and at the same temperature when the battery is at rest.
Die Auswertung erfolgt vorzugsweise in einer Auswerteeinheit, in der aus den Strom- und Spannungswerten der Imaginärteil Z“ bestimmt und verglichen wird, wobei die Referenzwerte in einem zugeordneten Speicher abgelegt sind. Der ermittelte SOH-Wert kann dann angezeigt werden und gegebenenfalls eine Empfehlung bei einem Batteriewechsel ausgegeben werden. Des Weiteren kann der ermittelte SOH-Wert weiteren Steuergeräten, beispielsweise einem Batterie-Management-System, zugeführt werden.The evaluation is preferably carried out in an evaluation unit in which the imaginary part Z "is determined and compared from the current and voltage values, the reference values being stored in an assigned memory. The determined SOH value can then be displayed and, if appropriate, a recommendation when a battery change is issued. Furthermore, the determined SOH value can be supplied to further control devices, for example a battery management system.
In der
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