DE102019212930B3 - Vehicle electrical system and method for operating a vehicle electrical system - Google Patents
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Abstract
Ein Fahrzeugbordnetz (1) weist einen HV-Bordnetzteil (10), einen LV-Bordnetzteil (20), einen Ladeanschluss (32) zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes (1) an eine Ladestation (30), und eine Energieübertragungseinrichtung (60) auf, die in einem Lademodus eine Ladestationsspannung (CV) in eine HV-Bordnetzspannung (HV) wandelt und Energie von der Ladestation (30) zu einem HV-Energiespeicher (12) überträgt, in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung (HV) in die Ladestationsspannung (CV) wandelt und Energie vom HV-Energiespeicher (12) zur Ladestation (30) überträgt, und in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung (HV) in eine LV-Bordnetzspannung (LV) wandelt und Energie vom HV-Energiespeicher (12) zu einem LV-Energiespeicher (22) überträgt. Erfindungsgemäß wird hierfür eine Energieübertragungseinrichtung (60) vorgeschlagen, aufweisend: einen bidirektionalen Spannungswandler (62, 64), über den in einer ersten Richtung die Übertragung im Lademodus erfolgt, und in einer zweiten Richtung die Übertragung im Entlademodus und Umlademodus erfolgt, und eine Umschalteinrichtung (66), die den Spannungswandler (62, 64) im Lademodus und Entlademodus mit dem Ladeanschluss (32) und dem HV-Bordnetzteil (10) verbindet, und im Umlademodus mit dem HV-Bordnetzteil (10) und dem LV-Bordnetzteil (20) verbindet.A vehicle electrical system (1) has an HV electrical system part (10), an LV electrical system part (20), a charging connection (32) for connecting the vehicle electrical system (1) to a charging station (30), and an energy transmission device (60) which in a charging mode converts a charging station voltage (CV) into an HV vehicle electrical system voltage (HV) and transfers energy from the charging station (30) to an HV energy store (12), in a discharge mode the HV vehicle electrical system voltage (HV) into the charging station voltage (CV) ) converts and transfers energy from the HV energy store (12) to the charging station (30), and in a recharging mode converts the HV vehicle electrical system voltage (HV) into an LV vehicle electrical system voltage (LV) and converts energy from the HV energy store (12) to an LV -Energy storage (22) transfers. According to the invention, an energy transmission device (60) is proposed for this purpose, comprising: a bidirectional voltage converter (62, 64), via which the transmission takes place in the charging mode in a first direction and the transmission takes place in the discharge mode and recharging mode in a second direction, and a switching device ( 66), which connects the voltage converter (62, 64) in charge mode and discharge mode with the charging connection (32) and the HV on-board power supply unit (10), and in reloading mode with the HV on-board power supply unit (10) and the LV on-board power supply unit (20) connects.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Fahrzeugbordnetz, beispielsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugbordnetzes.The present invention relates to an electrical vehicle electrical system, for example for an electric or hybrid vehicle, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a vehicle electrical system.
Derartige Fahrzeugbordnetze sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt und weisen auf:
- - einen Hochvolt (HV)-Bordnetzteil mit einem elektrischen HV-Energiespeicher zur Bereitstellung einer HV-Gleichspannung (z. B. 400 V) als eine erste Bordnetzspannung,
- - einen Niedervolt (LV)-Bordnetzteil mit einem elektrischen LV-Energiespeicher zur Bereitstellung einer LV-Gleichspannung (z. B. 12 V) als eine zweite Bordnetzspannung,
- - einen Ladeanschluss zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes an eine Ladestation, die eine Ladestationsspannung (z. B. 220 V / 50 Hz Wechselspannung) für ein Übertragen von elektrischer Energie zwischen der Ladestation und dem Fahrzeugbordnetz bereitstellt,
- - eine Energieübertragungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist,
- - in einem Lademodus die Ladestationsspannung in die HV-Bordnetzspannung zu wandeln und damit elektrische Energie von der Ladestation zum elektrischen HV-Energiespeicher zu übertragen,
- - in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung in die Ladestationsspannung zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher zur Ladestation zu übertragen, und
- - in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung in die LV-Bordnetzspannung zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher zum elektrischen LV-Energiespeicher zu übertragen.
- - A high-voltage (HV) on-board power supply unit with an electrical HV energy store to provide a HV DC voltage (e.g. 400 V) as a first on-board network voltage,
- - A low-voltage (LV) on-board power supply unit with an electrical LV energy storage device to provide a LV DC voltage (e.g. 12 V) as a second on-board network voltage,
- - A charging connection for connecting the vehicle electrical system to a charging station, which provides a charging station voltage (e.g. 220 V / 50 Hz AC voltage) for transferring electrical energy between the charging station and the vehicle electrical system,
- - an energy transmission device which is designed to
- - to convert the charging station voltage into the HV on-board network voltage in a charging mode and thus transfer electrical energy from the charging station to the electrical HV energy store,
- - to convert the HV vehicle electrical system voltage into the charging station voltage in a discharge mode and thus to transfer electrical energy from the electrical HV energy store to the charging station, and
- - To convert the HV vehicle electrical system voltage into the LV vehicle electrical system voltage in a recharging mode and thus transfer electrical energy from the electrical HV energy store to the electrical LV energy store.
Bei derartigen bekannten Fahrzeugbordnetzen umfasst die Energieübertragungseinrichtung typischerweise zum einen ein spezielles Bordladegerät, oftmals als „on-board charger“ (OBC) bezeichnet, um den „Lademodus“ und den „Entlademodus“ zu bewerkstelligen, d. h. beispielsweise eine 400 V Hochvolt (HV)-Batterie aus einem öffentlichen 220 V Wechselspannungsnetz zu laden bzw. Energie aus der HV-Batterie in das Wechselspannungsnetz zu übertragen, und zum anderen zusätzlich einen dedizierten DC/DC-Wandler, um den „Umlademodus“ zu bewerkstelligen, also beispielsweise Energie aus der 400 V HV-Batterie zum Laden der einer 12 V Niedervolt (LV)-Batterie zu verwenden.In such known vehicle on-board networks, the energy transmission device typically comprises, on the one hand, a special on-board charger, often referred to as an “on-board charger” (OBC), in order to achieve the “charging mode” and the “discharging mode”, i.e. H. For example, to charge a 400 V high-voltage (HV) battery from a public 220 V AC voltage network or to transfer energy from the HV battery to the AC voltage network, and on the other hand, a dedicated DC / DC converter to activate the "recharging mode" accomplish, for example, to use energy from the 400 V HV battery to charge a 12 V low-voltage (LV) battery.
Nachteilig ist bei derartigen bekannten Fahrzeugbordnetzen beispielsweise der durch die Energieübertragungseinrichtung verursachte Bauraumbedarf und deren Gewicht, sowie der zur Bereitstellung der Energieübertragungseinrichtung erforderliche Aufwand an Material und Kosten.Disadvantages of such known vehicle electrical systems are, for example, the installation space required by the energy transmission device and its weight, as well as the amount of material and costs required to provide the energy transmission device.
Die Druckschrift
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Fahrzeugbordnetz der eingangs genannten Art die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und einen mit weniger Aufwand verbundenen Weg zur Bewerkstelligung der verschiedenen Betriebsmodi wie insbesondere Lademodus, Entlademodus und Umlademodus aufzuzeigen.It is an object of the present invention to eliminate the above disadvantages in a vehicle electrical system of the type mentioned at the outset and to provide a way of accomplishing the various operating modes such as loading mode, unloading mode and reloading mode, which is less complex.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugbordnetzes nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.According to the invention, this object is achieved by a vehicle electrical system according to claim 1 and a method for operating such a vehicle electrical system according to claim 7. The dependent claims are directed to advantageous developments of the invention.
Das erfindungsgemäße Fahrzeugbordnetz ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungseinrichtung aufweist:
- - einen bidirektional betreibbaren Spannungswandler, über den in einer ersten Übertragungsrichtung die Übertragung der elektrischen Energie im Lademodus erfolgt, und in einer zweiten Übertragungsrichtung die Übertragung der elektrischen Energie im Entlademodus und im Umlademodus erfolgt, und
- - eine Umschalteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Spannungswandler im Lademodus und im Entlademodus einerseits mit dem Ladeanschluss und andererseits mit dem HV-Bordnetzteil zu verbinden, und im Umlademodus einerseits mit dem HV-Bordnetzteil und andererseits mit dem LV-Bordnetzteil zu verbinden.
- - A bidirectionally operable voltage converter, via which the electrical energy is transmitted in the charging mode in a first transmission direction, and the transmission of the energy in a second transmission direction electrical energy takes place in the discharge mode and in the transfer mode, and
- - A switching device which is designed to connect the voltage converter in the charging mode and in the discharging mode on the one hand to the charging connection and on the other hand to the HV on-board power supply, and to connect it to the HV on-board power supply on the one hand and the LV on-board power supply on the other in the charging mode.
Mit der Erfindung können die Funktionen des Lademodus, Entlademodus und Umlademodus vorteilhaft mittels ein und derselben Schaltungseinrichtung, nämlich des bidirektional betreibbaren Spannungswandlers bewerkstelligt werden, der hierfür je nach aktuell benötigtem Modus in einer von zwei möglichen Richtungen (der elektrischen Energieübertragung) zu betreiben ist. Die Erfindung ermöglicht somit eine drastische schaltungstechnische Vereinfachung des Fahrzeugbordnetzes. Die von dem aktuell benötigten Modus abhängende und somit variable korrekte „Anbindung“ des bidirektional betreibbaren Spannungswandlers an die entsprechenden Bordnetzkomponenten (HV-Bordnetzteil, LV-Bordnetzteil, Ladeanschluss) kann hierbei in einfacher Weise mittels der Umschalteinrichtung bewerkstelligt werden.With the invention, the functions of the charging mode, discharging mode and recharging mode can advantageously be achieved by means of one and the same circuit device, namely the bidirectionally operable voltage converter, which is to be operated in one of two possible directions (electrical energy transmission) depending on the currently required mode. The invention thus enables a drastic simplification of the circuitry of the vehicle electrical system. The correct "connection" of the bidirectionally operable voltage converter to the corresponding on-board power supply components (HV on-board power supply, LV on-board power supply, charging connection), which depends on the currently required mode and is therefore variable, can be easily accomplished using the switching device.
Eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Verwendung des Fahrzeugbordnetzes ergibt sich für ein Elektrofahrzeug oder ein (Plug-In-)Hybridfahrzeug, insbesondere z. B. Straßenkraftfahrzeuge dieser Art, bei denen eine elektrische Antriebseinrichtung mit elektrischer Energie aus dem Hochvolt (HV)-Bordnetzteil versorgt wird, wohingegen andere (weniger leistungsstarke) elektrische Verbraucher des Fahrzeuges (wie z. B. Beleuchtungseinrichtungen) aus dem Niedervolt (LV)-Bordnetzteil versorgt werden.A preferred use of the vehicle electrical system within the scope of the invention results for an electric vehicle or a (plug-in) hybrid vehicle, in particular z. B. Road vehicles of this type in which an electrical drive device is supplied with electrical energy from the high-voltage (HV) on-board power supply, whereas other (less powerful) electrical consumers of the vehicle (such as lighting devices) from the low-voltage (LV) - On-board power supply are supplied.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Begriffe „Hochvolt (HV)-Gleichspannung“ (erste Bordnetzspannung) und „Niedervolt (LV)-Gleichspannung“ (zweite Bordnetzspannung) so zu verstehen, dass die HV-Gleichspannung wesentlich größer ist als die LV-Gleichspannung, z. B. um wenigstens einen Faktor
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die HV-Gleichspannung größer als 60 V ist und die LV-Gleichspannung maximal 60 V beträgt (was z. B. auch einer fachüblichen Definition dieser Begriffe entspricht).In one embodiment of the invention, it is provided that the HV DC voltage is greater than 60 V and the LV DC voltage is a maximum of 60 V (which, for example, also corresponds to a customary definition of these terms).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die HV-Gleichspannung größer als 200 V, insbesondere größer als 300 V, und/oder beträgt die LV-Gleichspannung maximal 60 V, insbesondere maximal 30 V.In a preferred embodiment of the invention, the HV direct voltage is greater than 200 V, in particular greater than 300 V, and / or the LV direct voltage is a maximum of 60 V, in particular a maximum of 30 V.
Die Ladestation, an welche das Fahrzeugbordnetz bzw. damit ausgestattete Fahrzeug im Lademodus und im Entlademodus angeschlossen ist, kann als Ladestationsspannung z. B. eine Gleichspannung bereitstellen. In diesem Fall ist bevorzugt, dass das Spannungsniveau der Ladestationsspannung zwischen den Spannungsniveaus der ersten Bordnetzspannung (
Die Ladestation kann als Ladestationsspannung jedoch auch eine (z. B. sinusförmige) Wechselsspannung bereitstellen. In diesem Fall ist bevorzugt, dass das der Scheitelwert der Ladestationsspannung zwischen den Spannungsniveaus der ersten Bordnetzspannung (
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Ladestationsspannung eine sinusförmige 220 V Wechselsspannung verwendet wird.In one embodiment it is provided that a sinusoidal 220 V alternating voltage is used as the charging station voltage.
Der Ladeanschluss zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes an die Ladestation kann insbesondere z. B. von einer elektrischen Steckverbinderkomponente wie z. B. einer Ladebuchse oder einem Ladestecker am Ende eines elektrischen Kabels gebildet sein, wobei ein passende Gegensteckverbinderkomponente von der Ladestation bereitgestellt wird. Im Rahmen der Erfindung soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass der Ladeanschluss eine fahrzeugseitige Komponente einer Induktivladeeinrichtung darstellt, die nach entsprechender Platzierung des Fahrzeuges durch fahrzeugseitige und ladestationsseitige Komponenten gebildet wird.The charging port for connecting the vehicle electrical system to the charging station can in particular, for. B. from an electrical connector component such. B. a charging socket or a charging plug at the end of an electrical cable, with a matching mating connector component is provided by the charging station. In the context of the invention, however, it should not be ruled out that the charging connection represents a component of an inductive charging device on the vehicle side, which is formed by components on the vehicle side and the charging station side after the vehicle has been positioned accordingly.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spannungswandler eine erste Wandlerseite und eine zweite Wandlerseite aufweist, wobei die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, die erste Wandlerseite im Lademodus und im Entlademodus mit dem Ladeanschluss zu verbinden und im Umlademodus mit dem LV-Bordnetzteil zu verbinden. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass die zweite Wandlerseite permanent mit dem HV-Bordnetzteil verbunden sein kann.In one embodiment it is provided that the voltage converter has a first converter side and a second converter side, the switching device being designed to connect the first converter side to the charging connection in the charging mode and in the discharging mode and to connect it to the LV on-board power supply unit in the charging mode. This advantageously enables the second converter side to be permanently connected to the HV on-board power supply unit.
Die Begriffe „erste Wandlerseite“ und „zweite Wandlerseite“ bezeichnen hierbei im schaltungstechnischen Sinne die beiden Enden des vom Spannungswandler ausgebildeten Energieübertragungspfades. Insofern könnten diese Seiten auch als Eingangsseite und Ausgangsseite des Spannungswandlers bezeichnet werden, wobei jedoch aufgrund der Bidirektionalität des bei der Erfindung eingesetzten Spannungswandlers die Zuschreibungen „Eingang“ und „Ausgang“ davon abhängen, in welcher der beiden möglichen Übertragungsrichtung die elektrische Energie übertragen wird.The terms “first converter side” and “second converter side” refer to the two ends of the energy transmission path formed by the voltage converter in the circuitry sense. In this respect, these sides could also be referred to as the input side and output side of the voltage converter, but due to the bidirectionality of the voltage converter used in the invention, the assignments “input” and “output” depend on which of the two possible transmission directions the electrical energy is transmitted in.
In einer Ausführungsform ist jede der beiden Wandlerseiten von einem zweipoligen Anschluss (zwei Anschlüsse bzw. zwei Anschlusspunkte) gebildet.In one embodiment, each of the two converter sides is formed by a two-pole connection (two connections or two connection points).
In einer Ausführungsform ist ist die Umschalteinrichtung zweipolig wirkend ausgeführt, d. h. dazu ausgebildet, die zwei Pole eines zweipoligen Anschlusses einer Wandlerseite des Spannungswandlers je nach gefordertem Betriebsmodus entweder mit den zwei Polen des zweipoligen Ladeanschlusses oder mit den zwei Polen des LV-Bordnetzteils zu verbinden.In one embodiment, the switching device is designed to act on two poles, i. H. designed to connect the two poles of a two-pole connection of a converter side of the voltage converter either with the two poles of the two-pole charging connection or with the two poles of the LV on-board power supply, depending on the required operating mode.
In einer anderen Ausführungsform ist ist die Umschalteinrichtung einpolig wirkend ausgeführt, d. h. dazu ausgebildet, nur einen der zwei Pole des betreffenden Anschlusses des Spannungswandlers je nach gefordertem Betriebsmodus mit einem der zwei Pole des Ladeanschlusses oder mit einem der zwei Pole des LV-Bordnetzteils zu verbinden. Die jeweils anderen der zwei Pole des Spannungswandlers, des Ladeanschlusses und des LV-Bordnetzteils können in diesem Fall permanent miteinander verbunden sein.In another embodiment, the changeover device is designed to be single-pole; H. designed to connect only one of the two poles of the relevant connection of the voltage converter to one of the two poles of the charging connection or to one of the two poles of the LV on-board power supply, depending on the required operating mode. The other of the two poles of the voltage converter, the charging connection and the LV on-board power supply unit can be permanently connected to one another in this case.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spannungswandler eine Spannungswandlereinheit aufweist, die in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet (also der für den „Lademodus“ tatsächlich eingesetzen Übertragungsrichtung) aufweist:
- - zwei Eingangsanschlüsse, die über eine jeweilige Drossel mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer Vollbrücke verbunden sind,
- - die genannte Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern,
- - zwei Ausgangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen verbunden sind,
- - einen Kondensator mit zwei Kondensatoranschlüssen, die mit einem jeweiligen der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind.
- - two input connections, which are connected via a respective choke to a respective one of two bridge branch connections of a full bridge,
- - the mentioned full bridge with four controllable semiconductor switches,
- - two output ports connected to a respective one of two full bridge supply ports,
- a capacitor with two capacitor terminals connected to a respective one of the two output terminals.
Eine solche Spannungswandlereinheit wird nachfolgend auch als „erste Spannungswandlereinheit“ bezeichnet (zur Unterscheidung von einer weiter unten noch beschriebenen „zweiten Spannungswandlereinheit“).Such a voltage converter unit is also referred to below as a “first voltage converter unit” (to distinguish it from a “second voltage converter unit” described below).
Hier sind die Begriffe „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ auf die im „Lademodus“ eingesetzte erste Übertragungsrichtung bezogen zu verstehen, d. h. die Spannungswandlereinheit kann eine an den Eingangsanschlüssen angelegte Spannung wandeln und spannungsgewandelt an den Ausgangsanschlüssen bereitstellen, wobei elektrische Energie von den Eingangsanschlüssen zu den Ausgangsanschlüssen übertragen wird. Bei einem Betrieb der Spannungswandlereinheit im „Entlademodus“ oder im „Umlademodus“ vertauschen die hier lediglich zur einfacheren schaltungstechnischen Beschreibung als „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ bezeichneten Anschlüsse der Spannungswandlereinheit ihre Rollen.Here, the terms “input connections” and “output connections” refer to the first transmission direction used in “charging mode”, i.e. H. the voltage converter unit can convert a voltage applied to the input connections and make it available in a voltage-converted manner at the output connections, electrical energy being transmitted from the input connections to the output connections. When the voltage converter unit is operated in “discharge mode” or in “charge reversal mode”, the connections of the voltage converter unit, which are referred to here as “input connections” and “output connections” merely for the sake of simpler circuitry description, swap their roles.
In einer Ausführungsform sind die Eingangsanschlüsse direkt mit den Drosseln verbunden, d. h. durch einen elektrischen Leiter ohne im Leitungsverlauf angeordnete weitere Schaltungskomponenten.In one embodiment, the input terminals are connected directly to the chokes, i.e. H. by an electrical conductor without further circuit components arranged in the course of the line.
Abweichend davon könnte in jedem dieser Leitungsverläufe jedoch auch wenigstens eine derartige weitere Komponente angeordnet sein, insbesondere z. B. eine resistive (z. B. Strommesswiderstand), induktive oder kapazitive Komponente.Notwithstanding this, however, at least one such further component could also be arranged in each of these line courses, in particular z. B. a resistive (z. B. current measuring resistor), inductive or capacitive component.
In einer Ausführungsform ist im schaltungstechnischen Energieübertragungspfad, der zwischen den Eingangsanschlüssen und den Drosseln verläuft, ein Filter, insbesondere z. B. passives Filter angeordnet, welches z. B. vorteilhaft als so genanntes EMV-Filter ausgebildet sein kann, um eine Übertragung hochfrequenter Störsignale über die Spannungswandlereinheit zu unterdrücken.In one embodiment, a filter, in particular, for example, is in the circuit-related energy transmission path that runs between the input connections and the chokes. B. arranged passive filter, which z. B. can advantageously be designed as a so-called EMC filter to suppress the transmission of high-frequency interference signals via the voltage converter unit.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Drosseln induktiv miteinander gekoppelt. Zu diesem Zweck können diese z. B. an einem gemeinsam genutzten Magnetflussleitmittel („Kern“) angeordnet sein.In a preferred embodiment, the two chokes are inductively coupled to one another. For this purpose, this z. B. be arranged on a jointly used magnetic flux guide ("core").
In einer Ausführungsform sind die Drosseln direkt mit den Brückenzweiganschlüssen der Vollbrücke verbunden (d. h. durch einen elektrischen Leiter ohne im Leitungsverlauf angeordnete weitere Schaltungskomponenten). Auch an dieser Stelle soll jedoch die Anordnung (wenigstens) einer weiteren Komponente nicht ausgeschlossen sein.In one embodiment, the chokes are connected directly to the bridge arm connections of the full bridge (i.e. by an electrical conductor with no further circuit components arranged in the line). At this point, however, the arrangement of (at least) one further component should not be excluded.
Unter einer „Vollbrücke“, die fachüblich oftmals auch als H-Brücke bezeichnet wird, ist eine Schaltungsanordnung zu verstehen, bei der zwei Reihenschaltungen von widerstandsvariablen Elementen, hier den Halbleiterschaltern, parallel zueinander zwischen zwei Anschlüssen, hier als Vollbrückenversorgungsanschlüsse bezeichnet, verlaufen.A “full bridge”, which is often also referred to as an H-bridge in the art, is a circuit arrangement in which two series connections of variable-resistance elements, here the semiconductor switches, run parallel to one another between two connections, here referred to as full-bridge supply connections.
Je nach eingestelltem Widerstand der vier Elemente bzw. hier den Schaltzuständen (Ein oder Aus) der einzelnen Halbleiterschalter kann mit der Vollbrücke somit z. B. eine zwischen den Versorgungsanschlüssen anliegende Spannung an zwei „Mittelabgriffen“ der Reihenschaltungen (jeweils im Pfad zwischen den zwei Halbleiterschaltern liegend) weitergegeben werden (und zwar mit beliebiger Polarität). Aufgrund der üblichen Bezeichnung „Brückenpfad“ für eine an diesen Mittelabgriffen angeschlossene elektrische Last werden diese Mittelabgriffe hier als Brückenzweiganschlüsse bezeichnet.Depending on the set resistance of the four elements or the switching states (on or off) of the individual semiconductor switches, the full bridge can thus be used, for. For example, a voltage between the supply connections can be passed on to two “center taps” of the series connections (each lying in the path between the two semiconductor switches) (with any polarity). Due to the common name " Bridge path ”for an electrical load connected to these center taps, these center taps are referred to here as bridge arm connections.
Die ansteuerbaren Halbleiterschalter der Vollbrücke sind bevorzugt jeweils als ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere z. B. MOSFET ausgebildet, und paarweise in den jeweiligen Reihenschaltungen bevorzugt direkt miteinander verbunden.The controllable semiconductor switches of the full bridge are preferably each designed as a field effect transistor (FET), in particular z. B. MOSFET, and in pairs in the respective series circuits preferably connected directly to one another.
Die zwei Ausgangsanschlüsse der Spannungswandlereinheit können z. B. direkt mit einem jeweiligen der zwei Vollbrückenversorgungsanschlüsse verbunden sein.The two output terminals of the voltage converter unit can, for. B. be connected directly to a respective one of the two full bridge supply connections.
Im schaltungstechnischen Energieübertragungspfad zwischen den Ausgangsanschlüssen und den Vollbrückenversorgungsanschlüssen könnte z. B. ein Filter, insbesondere z. B. passives EMV-Filter ausgebildet sein.In the circuitry energy transmission path between the output connections and the full bridge supply connections could, for. B. a filter, especially z. B. passive EMC filter.
Schließlich kann die Spannungswandlereinheit einen Kondensator mit zwei Kondensatoranschlüssen aufweisen, die mit einem jeweiligen der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind. Insbesondere in diesem Fall kann die Spannungswandlereinheit dann im Lademodus besonders vorteilhaft auch ein so genanntes Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) darstellen bzw. als ein solches eingesetzt werden, um die elektrische Energie ausgehend von der Ladestation bzw. dem Ladeanschluss mit einem Leistungsfaktor von annähernd 1 in das Fahrzeugbordnetz bzw. weiter zum elektrischen HV-Energiespeicher zu übertragen.Finally, the voltage converter unit can have a capacitor with two capacitor connections which are connected to a respective one of the two output connections. In this case in particular, the voltage converter unit can then particularly advantageously represent a so-called power factor correction filter (PFC) in the charging mode or be used as such in order to transfer the electrical energy from the charging station or the charging connection with a power factor of approximately 1 into the vehicle electrical system or to be transmitted further to the electrical HV energy store.
Die vorstehend beschriebene Spannungswandlereinheit könnte im Prinzip als solche bereits den bidirektional betreibbaren Spannungswandler des Fahrzeugbordnetzes bilden, indem z. B. deren Ausgangsanschlüsse permanent an den HV-Bordnetzteil bzw. den elektrischen HV-Energiespeicher angeschlossen werden und deren Eingangsanschlüsse mittels der Umschalteinrichtung je nach gewünschtem Betriebsmodus entweder an den Ladeanschluss (Lade- und Entlademodus) oder an den LV-Bordnetzteil bzw. den elektrischen LV-Energiespeicher (Umlademodus) angeschlossen werden.The voltage converter unit described above could in principle already form the bidirectionally operable voltage converter of the vehicle electrical system by, for. B. their output connections are permanently connected to the HV on-board power supply or the electrical HV energy storage device and their input connections by means of the switching device either to the charging connection (charging and discharging mode) or to the LV on-board power supply or the electrical LV, depending on the desired operating mode -Energy storage (recharging mode) can be connected.
Zu bedenken ist hierbei jedoch, dass in der Praxis zumeist eine galvanische Trennung zwischen den beiden Wandlerseiten wünschenswert ist, der bis hierher beschriebene Aufbau der Spannungswandlereinheit jedoch noch keine solche galvanische Trennung vorsieht, sei es zwischen Ladestation und HV-Bordnetzteil (beim Laden und Entladen) oder zwischen HV-Bordnetzteil und LV-Bordnetzteil (beim Umladen).It should be noted, however, that in practice a galvanic separation between the two converter sides is usually desirable, but the structure of the voltage converter unit described up to this point does not yet provide such galvanic separation, be it between the charging station and the HV on-board power supply unit (during charging and discharging) or between the HV on-board power supply and LV on-board power supply (when reloading).
In einer Ausführungsform, die z. B. insbesondere im Hinblick auf die damit bewerkstelligte galvanische Trennung sehr vorteilhaft ist, weist der Spannungswandler eine Spannungswandlereinheit auf, die in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet aufweist:
- - zwei Eingangsanschlüsse, die (direkt oder indirekt) mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen einer ersten Vollbrücke verbunden sind,
- - die genannte erste Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (z. B. vier FETs),
- - einen ersten Schwingkreis mit wenigstens einer Drossel und wenigstens einem Kondensator, und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen der ersten Vollbrücke verbunden sind,
- - einen zweiten Schwingkreis mit wenigstens einer Drossel und wenigstens einem Kondensator, und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer zweiten Vollbrücke verbunden sind (direkt oder indirekt),
- - die genannte zweite Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (z. B. vier FETs),
- - zwei Ausgangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen der zweiten Vollbrücke verbunden sind,
- - two input connections that are (directly or indirectly) connected to a respective one of two full bridge supply connections of a first full bridge,
- - the mentioned first full bridge with four controllable semiconductor switches (e.g. four FETs),
- - A first resonant circuit with at least one choke and at least one capacitor, and with two resonant circuit connections, which are connected to a respective one of two bridge arm connections of the first full bridge,
- - A second resonant circuit with at least one choke and at least one capacitor, and with two resonant circuit connections, which are connected (directly or indirectly) to a respective one of two bridge arm connections of a second full bridge,
- - the mentioned second full bridge with four controllable semiconductor switches (e.g. four FETs),
- - two output connections, which are connected to a respective one of two full bridge supply connections of the second full bridge,
Eine solche Spannungswandlereinheit wird nachfolgend auch als „zweite Spannungswandlereinheit“ bezeichnet (zur Unter-scheidung von der weiter oben bereits beschriebenen ersten Spannungswandlereinheit).Such a voltage converter unit is also referred to below as a “second voltage converter unit” (to distinguish it from the first voltage converter unit already described above).
In einer Ausführungsform ist jeder der beiden Schwingkreise von einem (die zwei Schwingkreisanschlüsse verbindenden) Schwingkreispfad gebildet, in dessen Verlauf zwei (z. B. unmittelbar aufeinanderfolgende) Drosseln und ein Kondensator angeordnet sind, wobei eine der Drosseln induktiv (mit einer Drossel des anderen Schwingkreises) gekoppelt ist, beispielsweise mit einem gemeinsam genutzten Magnetkern zur Ausbildung eines Transformators.In one embodiment, each of the two resonant circuits is formed by a resonant circuit path (connecting the two resonant circuit connections), in the course of which two (e.g. immediately successive) chokes and a capacitor are arranged, one of the chokes being inductive (with a choke of the other resonant circuit ) is coupled, for example with a shared magnetic core to form a transformer.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Spannungswandler sowohl eine „erste Spannungswandlereinheit“ als auch eine funktional in Reihenschaltung dazu angeordnete „zweite Spannungswandlereinheit“ auf.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the voltage converter has both a “first voltage converter unit” and a “second voltage converter unit” arranged functionally in series with it.
Bevorzugt ist hierbei in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet zunächst die erste Spannungswandlereinheit und nachfolgend die zweite Spannungswandlereinheit angeordnet.Considered in the first transmission direction, the first is preferred Voltage converter unit and then arranged the second voltage converter unit.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeugbordnetz ferner eine programmgesteuerte Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung auf.In one embodiment of the invention, the vehicle electrical system also has a program-controlled control device for activating the energy transmission device.
Diese Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung umfasst hierbei ein Ansteuern der Umschalteinrichtung, so dass damit die einem aktuell geforderten Betriebsmodus entsprechende Verbindung des Spannungswandlers vorgesehen wird (bzw. durch ein Umschalten bewerkstelligt wird).This activation of the energy transmission device includes activation of the switching device so that the connection of the voltage converter corresponding to a currently required operating mode is provided (or is achieved by switching).
Im Falle der Verwendung eines zu seinem Betrieb geeignet anzusteuernden Spannungswandlers, insbesondere z. B. im Hinblick auf eine durch diese Ansteuerung definierte Übertragungsrichtung des (bidirektional betreibbaren) Spannungswandlers, umfasst die Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung darüber hinaus eine solche Ansteuerung des Spannungswandlers.In the case of using a voltage converter suitable for its operation to be controlled, in particular z. B. with regard to a transmission direction of the (bidirectionally operable) voltage converter defined by this activation, the activation of the energy transmission device also includes such activation of the voltage converter.
Dies ist z. B. bei Einsatz eines Spannungswandlers erforderlich, der eine erste und/oder zweite Spannungswandlereinheit der oben beschriebenen Art beinhaltet. In diesem Fall umfasst die Ansteuerung des Spannungswandlers ein Ein- und Ausschalten der betreffenden Halbleiterschalter (z. B. FETs) gemäß einer (für die gewünschte Spannungswandlung) geeigneten Steuerstrategie.This is e.g. B. required when using a voltage converter which includes a first and / or second voltage converter unit of the type described above. In this case, the control of the voltage converter comprises switching the relevant semiconductor switches (for example FETs) on and off in accordance with a control strategy suitable (for the desired voltage conversion).
Die Steuerstrategie kann hierbei in programmgesteuerter Weise mittels der vorerwähnten programmgesteuerten Steuereinrichtung realisiert sein.The control strategy can be implemented in a program-controlled manner by means of the aforementioned program-controlled control device.
Im Falle einer Ansteuerung einer ersten und/oder zweiten Spannungswandlereinheit der oben beschriebenen Art können durch die z. B. durch in der Steuereinrichtung ablaufende Software implementierte Steuerstrategie insbesondere die Schaltzeitpunkte definiert werden, zu denen das Einschalten und Ausschalten jedes der anzusteuernden Halbleiterschalter erfolgen soll.In the case of a control of a first and / or second voltage converter unit of the type described above, the z. For example, the control strategy implemented in the control device can be used to define, in particular, the switching times at which each of the semiconductor switches to be controlled is to be switched on and off.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes der hier beschriebenen Art vorgeschlagen, umfassend die Schritte:
- - Auswählen eines bestimmten Betriebsmodus des Fahrzeugbordnetzes aus mehreren Betriebsmodi, die den Lademodus, den Entlademodus und den Umlademodus umfassen,
- - Ansteuern der Umschalteinrichtung derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Verbindung des Spannungswandlers vorgesehen wird,
- - Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen wird.
- - Selecting a specific operating mode of the vehicle electrical system from several operating modes, which include the charging mode, the discharging mode and the reloading mode,
- - Control of the switching device in such a way that the connection of the voltage converter corresponding to the selected operating mode is provided,
- - Control of the voltage converter in such a way that the transmission of electrical energy corresponding to the selected operating mode is provided.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
-
1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugbordnetzes nach dem Stand der Technik, -
2 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugbordnetzes gemäß eines Ausführungsbeispiels, -
3 ein Schaltbild einer Spannungswandlereinheit gemäß eines Ausführungsbeispiels, und -
4 ein Schaltbild einer Spannungswandlereinheit gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
-
1 a block diagram of a vehicle electrical system according to the prior art, -
2 a block diagram of a vehicle electrical system according to an embodiment, -
3 a circuit diagram of a voltage converter unit according to an embodiment, and -
4th a circuit diagram of a voltage converter unit according to a further embodiment.
Das Fahrzeugbordnetz
Ferner weist das Fahrzeugbordnetz
Das Fahrzeugbordnetz
Die Ladestation
Das Fahrzeugbordnetz
- - in einem Lademodus die Ladestationsspannung
CV in die HV-BordnetzspannungHV zu wandeln und damit elektrische Energievon der Ladestation 30 zum elektrischen HV-Energiespeicher 12 zu übertragen, - - in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung
HV in die LadestationsspannungCV zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher 12 zur Ladestation 30 zu übertragen, und - - in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung
HV in die LV-BordnetzspannungLV zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher 12 zum elektrischen LV-Energiespeicher 22 zu übertragen.
- - in a charging mode, the charging station voltage
CV into the HV vehicle electrical system voltageHV to convert and thus electrical energy from the charging station30th for electrical HV energy storage12th transferred to, - - in a discharge mode, the HV vehicle electrical system voltage
HV into the charging station voltageCV to convert and thus electrical energy from the electrical HV energy storage12th to the charging station30th to transfer, and - - the HV vehicle electrical system voltage in a recharging mode
HV into the LV vehicle electrical system voltageLV to convert and thus electrical energy from the electrical HV energy storage12th to electrical LV energy storage22nd transferred to.
Bei der in
Das Bordladegerät
Die erste Spannungswandlereinheit
Die zweite Spannungswandlereinheit
Im dargestellten Beispiel ist das Bordladegerät
Zum „Umladen“, d. h. zum Laden der LV-Batterie
Der DC/DC-Wandler
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further exemplary embodiments, the same reference symbols are used for components with the same effect. Essentially, only the differences from the exemplary embodiment (s) already described are discussed, and reference is hereby expressly made to the description of previous exemplary embodiments.
Im Unterschied zur herkömmlichen Gestaltung ist bei dem in
Die Energieübertragungseinrichtung
Die erste Spannungswandlereinheit
Ein EMC-Filter
Die zweite Spannungswandlereinheit
Die Energieübertragungseinrichtung
Der Umschalter
Vorteilhaft ist ein dedizierter DC/DC-Wandler (vgl. Wandler
In
Mittels der Steuereinrichtung
- - Auswählen eines bestimmten Betriebsmodus des Fahr-zeugbordnetzes aus den Betriebsmodi Lademodus, Entlademodus und Umlademodus,
- - Ansteuern des Umschalters
66 derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Verbindung desSpannungswandlers 62 ,64 vorgesehen wird, und - - Ansteuern des
Spannungswandlers 62 ,64 derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen wird.
- - Selection of a certain operating mode of the vehicle electrical system from the operating modes of loading mode, unloading mode and reloading mode,
- - Actuation of the
switch 66 such that the connection of the voltage converter corresponding to the selected operatingmode 62 ,64 is provided, and - - Control of the
voltage converter 62 ,64 in such a way that the transmission of electrical energy corresponding to the selected operating mode is provided.
Nachfolgend werden mit Bezug auf die
Die Bezeichnungen „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ für die beiden Wandlerseiten sind bezogen auf den Betrieb der bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinheit
In diesem Fall arbeitet die Spannungswandlereinheit
Falls die Spannungswandlereinheit
Die Eingangsanschlüsse stellen eine erste Wandlerseite und die Ausgangsanschlüsse eine zweite Wandlerseite dar, wobei der Umschalter
Im Falle der Energieübertragung in der zweiten Übertragungsrichtung (in
Im Entlademodus arbeitet die Spannungswandlereinheit
Im Umlademodus arbeitet die Spannungswandlereinheit
- - zwei Eingangsanschlüsse (in der Figur links), die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen einer ersten Vollbrücke verbunden sind, die von vier FETs
Si1 bisSi4 gebildet ist, - - einen ersten Schwingkreis
Lr1 ,Lt1 ,Cr1 mit zwei DrosselnLr1 ,Lm ,Lt1 und einem KondensatorCr1 , und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen der ersten Vollbrücke verbunden sind (Lm in4 repräsentiert eine Magnetisierungsinduktivität eines ausLt1 undLt2 gebildeten Transformators), - - einen zweiten Schwingkreis
Lr2 ,Lt2 ,Cr2 mit zwei DrosselnLr2 ,Lt2 und einem KondensatorCr2 , und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer zweiten Vollbrücke verbunden sind, die von vier FETsSo1 bisSo4 gebildet ist, - - zwei Ausgangsanschlüsse (in der Figur rechts), die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen der zweiten Vollbrücke verbunden sind,
- two input terminals (on the left in the figure) which are connected to a respective one of two full bridge supply terminals of a first full bridge, that of four FETs
Si1 toSi4 is formed - - a first resonant circuit
Lr1 ,Lt1 ,Cr1 with two chokesLr1 ,Lm ,Lt1 and a capacitorCr1 , and with two resonant circuit connections which are connected to a respective one of two bridge arm connections of the first full bridge (Lm in4th represents a magnetizing inductance of an offLt1 andLt2 formed transformer), - - a second resonant circuit
Lr2 ,Lt2 ,Cr2 with two chokesLr2 ,Lt2 and a capacitorCr2 , and with two resonant circuit connections which are connected to a respective one of two bridge arm connections of a second full bridge, those of four FETsSo1 toSo4 is formed - - two output connections (on the right in the figure), which are connected to a respective one of two full bridge supply connections of the second full bridge,
Die Bezeichnungen Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse für die beiden Wandlerseiten sind wieder bezogen auf den Betrieb der Spannungswandlereinheit
Die Eingangsanschlüsse stellen eine erste Wandlerseite und die Ausgangsanschlüsse eine zweite Wandlerseite dar, wobei im Verwendungsfall gemäß
Die Spannungswandlereinheit
Die Ansteuerung der Spannungswandlereinheit
Im Hinblick auf eine möglichst effiziente Energieübertragung bilden die beiden Schwingkreise samt Transformator ein resonantes Netzwerk. Bevorzugt erfolgt dessen Anregung (z. B. durch paarweise komplementäres Ein- und Ausschalten der FETs
Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer Konfiguration wie mit dem Spannungswandlereinheit
Zusammenfassend ist bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sowohl das herkömmliche Bordladegerät (OBC) als auch das herkömmliche „Umladegerät“ (LV-DC/DC-Wandler) in einem Wandler (
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- FahrzeugbordnetzVehicle electrical system
- 1010
- HV (Hochvolt)-BordnetzteilHV (high voltage) on-board power supply
- 1212
- HV-EnergiespeicherHV energy storage
- HVHV
- HV-Bordnetzspannung (erste Bordnetzspannung)HV vehicle electrical system voltage (first vehicle electrical system voltage)
- 2020th
- LV (Niedervolt)-BordnetzteilLV (low voltage) on-board power supply
- 2222nd
- LV-EnergiespeicherLV energy storage
- LVLV
- LV-Bordnetzspannung (zweite Bordnetzspannung)LV vehicle electrical system voltage (second vehicle electrical system voltage)
- 3030th
- LadestationCharging station
- 3232
- LadeanschlussCharging port
- CVCV
- LadestationsspannungCharging station voltage
- EMCEMC
- EMC-FilterEMC filter
- 4040
- Bordladegerät (OBC)Board charger (OBC)
- 4242
- erste Spannungswandlereinheitfirst voltage converter unit
- CC.
- Kondensatorcapacitor
- 4444
- zweite Spannungswandlereinheitsecond voltage converter unit
- 5050
- DC/DC-Wandler (Bordumladegerät)DC / DC converter (on-board charger)
- 6060
- EnergieübertragungseinrichtungEnergy transmission device
- 6262
- erste Spannungswandlereinheitfirst voltage converter unit
- L1L1
- Drosselthrottle
- L2L2
- Drosselthrottle
- S1-S4S1-S4
- FETsFETs
- 6464
- zweite Spannungswandlereinheitsecond voltage converter unit
- Si1-Si4Si1-Si4
- FETsFETs
- Lr1Lr1
- Drosselthrottle
- Lt1Lt1
- Drosselthrottle
- Cr1Cr1
- Kondensatorcapacitor
- Lr2Lr2
- Drosselthrottle
- Lt2Lt2
- Drosselthrottle
- Cr2Cr2
- Kondensatorcapacitor
- So1-So4So1-So4
- FETsFETs
- 6666
- UmschalterToggle switch
- 8080
- SteuereinrichtungControl device
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DE102019212930.7A DE102019212930B3 (en) | 2019-08-28 | 2019-08-28 | Vehicle electrical system and method for operating a vehicle electrical system |
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Legal Events
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Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: CPT GROUP GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
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