ES2375402T5 - Fuente de energía eléctrica híbrida - Google Patents

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ES2375402T5 ES07380063.3T ES07380063T ES2375402T5 ES 2375402 T5 ES2375402 T5 ES 2375402T5 ES 07380063 T ES07380063 T ES 07380063T ES 2375402 T5 ES2375402 T5 ES 2375402T5
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
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Description

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DESCRIPCION
Fuente de energfa electrica tnbrida Campo de la tecnica
La presente invencion se refiere a una fuente de energfa electrica tnbrida que comprende dos o mas fuentes de energfa electrica que suministran energfa a una carga conectada. En particular, la presente invencion se refiere a una fuente de energfa electrica tnbrida que comprende una pila de combustible y una batena.
Antecedentes de la tecnica
Los sistemas tnbridos convencionales de energfa electrica pueden comprender dos fuentes de ene^a electrica conectadas en paralelo a una carga, tal como se muestra en la figura 1. Las fuentes de energfa electrica a menudo tienen diferentes caractensticas electricas.
Por ejemplo, las fuentes de energfa electrica pueden ser una pila de combustible y una batena. Cuando la pila de combustible y la batena estan conectadas en paralelo a la carga, las diferentes caractensticas electricas de la pila de combustible y la batena resultan en la distribucion mal optimizada de la carga. La batena es esencialmente una fuente de tension constante, excepto en circunstancias en las que se descarga rapidamente. La tension de la batena tambien se reducira cuando la batena se esta acercando al estado de descarga. El comportamiento de las pilas de combustible esta determinado por sus caractensticas de corriente-tension (es decir, la curva de polarizacion). En general, cuanto mayor es la corriente suministrada por la pila de combustible, menor sera la tension de la corriente que se suministra, y mayor es la potencia de salida. En general, las pilas de combustible son una fuente de tension mas bien debil, y la salida de corriente esta limitada por el flujo de combustible. Por lo tanto, la solucion habitual es utilizar la batena principalmente para suministrar corriente a la carga, ya que se proporciona a una tension de salida estable, mientras que las pilas de combustible cumplen un papel secundario en la carga de la batena.
Otra fuente de energfa tnbrida se describe por parte de Jiang et al. en "A Compact Digitally Controlled Fuel Cell/Battery Hybrid Source", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, No. 4, paginas 1094-1104. La fuente de energfa tnbrida comprende una membrana de intercambio de protones (PEM), una pila de combustible, una batena, un convertidor Buck y un controlador de potencia digital. En este sistema, una batena esta conectada directamente a la carga, y la pila de combustible esta conectada a la carga a traves del convertidor Buck, que regula la tension suministrada por la pila de combustible mediante la modulacion del ancho de pulso. La batena se utiliza para proporcionar corriente adicional cuando la carga esta atrayendo grandes corrientes, y se carga mediante la pila de combustible cuando los requerimientos de carga son bajos. El controlador digital de energfa controla el convertidor Buck de acuerdo con un algoritmo de control que utiliza valores para el lfmite de corriente de la pila de combustible (FCCL), el lfmite de corriente de la batena (BCL), y el lfmite de tension de la batena (BVL) para evitar un exceso de corriente o tension que cause danos, ya sea a la pila de combustible o a la batena.
El documento US 6.590.370 se refiere a batenas de carga de iones de litio a partir de una pila de combustible de oxidacion directa (por ejemplo, una pila de combustible de metanol directa). Un convertidor CC-CC controla el punto de funcionamiento de la pila de combustible para proporcionar una transferencia eficiente de la energfa desde la pila de combustible a la batena. La tension de salida del convertidor es igual a la tension de la batena y el convertidor se comporta como una fuente de corriente no regulada, cuya salida carga la batena. Ademas, la corriente puede ser suministrada a la carga.
Ninguno de los documentos descritos anteriormente se ha optimizado para maximizar la duracion de la batena. Este problema es particularmente pertinente en las fuentes de energfa tnbrida que no recargan la batena. Ademas, una duracion prolongada de la batena tambien es importante cuando la fuente de alimentacion se utiliza en un entorno movil, tal como un vetnculo.
El documento JP 10-271706 describe una unidad de energfa y un vetnculo electrico en el que si una carga de un motor electrico es igual o superior a un valor establecido, entonces la energfa es suministrada desde una batena y una pila de combustible. Mientras que si la carga es inferior a un valor establecido, la energfa es suministrada por la pila de combustible solamente. El documento DE 10223117 describe tambien un sistema de energfa tnbrida que comprende una pila de combustible y un compensador de energfa. El documento US 2003/105562 describe un sistema de control de salida de energfa para un vetnculo electrico que incorpora una pila de combustible tnbrida.
Sumario de la invencion
La presente invencion proporciona un suministro de energfa electrica tnbrida tal como se establece en la reivindicacion 1. Tambien se proporciona un procedimiento para suministrar energfa electrica desde un sistema de energfa electrica tnbrida tal como se establece en la reivindicacion 7.
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Ejemplos fuera del alcance de las reivindicaciones, pero incluidos para explicacion, proporcionan un suministro de ene^a electrica hforida para el suministro de corriente a una carga conectada en una salida de la fuente de energfa, comprendiendo la fuente de energfa: una primera y segunda fuentes de energfa electrica configuradas para suministrar corriente a la salida; un regulador de tension electricamente acoplado a una de la primera o segunda fuentes de energfa electrica y configurado para regular la tension suministrada por una de la primera o segunda fuentes de energfa electrica, y un controlador. El controlador esta configurado para recibir una senal indicativa de la corriente que se esta produciendo en la salida, para comparar la corriente de salida con un nivel de corriente de referencia, y utilizar el regulador de tension para regular la tension suministrada por una de la primera o segunda fuentes de energfa electrica de tal manera que: cuando la corriente de salida es menor que el nivel de corriente de referencia, la primera fuente de energfa suministra corriente igual a la corriente de salida; y cuando la corriente de salida excede el nivel de corriente de referencia, la primera fuente de energfa suministra corriente igual al nivel de corriente de referencia y la segunda fuente de energfa suministra la corriente restante requerida por la carga.
Por lo tanto, una fuente hnbrida de energfa electrica tiene en cuenta que maximiza el uso de una fuente de energfa electrica y minimiza el uso de otra fuente de energfa electrica. Esto puede lograrse mediante la identificacion de un nivel de corriente de referencia asociado con la primera fuente de energfa. Por ejemplo, este nivel de corriente de referencia puede ser la corriente maxima disponible en la primera fuente de energfa.
De cualquier manera, la corriente consumida en la salida, por ejemplo, mediante una carga conectada en la salida, se monitoriza y se compara con el nivel de corriente de referencia. Cuando la corriente de salida es menor que el nivel de corriente de referencia, la primera fuente de energfa puede ser utilizada para suministrar sustancialmente toda esta corriente, de manera que la segunda fuente de energfa puede contribuir de manera sustancialmente nula. Esto se logra mediante el uso del regulador de tension para regular la tension suministrada por la segunda fuente de energfa. El ajuste de la tension suministrada por una fuente de energfa en relacion con la otra determina las contribuciones relativas de la corriente que haran a la corriente de salida. Si, por otro lado, la corriente de salida excede del nivel de corriente de referencia, la primera fuente de energfa se utiliza en toda su extension mediante el uso del regulador de tension para ajustar la tension de tal manera que la primera fuente de energfa proporciona la corriente en el nivel de corriente de referencia. El deficit en la corriente consumida por la salida sera proporcionada por la segunda fuente de energfa. De esta manera, la segunda fuente de energfa proporciona una contribucion minima a la corriente consumida por una carga conectada a traves de la salida.
La primera fuente de energfa es una pila de combustible y la segunda fuente de energfa puede ser una batena. Con esta combinacion, la pila de combustible se utiliza en preferencia a la batena. Como resultado, la batena se utiliza solo de forma minima y asf su vida se prolonga. Esto es particularmente ventajoso cuando la pila de combustible no se utiliza para recargar la batena. Por supuesto, esta ventaja se realiza en un sistema donde la primera fuente de energfa no se utiliza para proporcionar energfa a la segunda fuente de energfa. Por lo tanto, la presente invencion puede estar relacionada con una fuente de energfa electrica hnbrida donde la primera fuente de energfa electrica no esta configurada para suministrar energfa a la segunda fuente de energfa electrica.
El regulador de tension esta conectado a la segunda fuente de energfa. El regulador de tension esta conectado en una disposicion en paralelo.
Las realizaciones se extienden tambien a un aparato electrico que comprende: cualquiera de las fuentes de energfa electrica hnbridas descritas anteriormente, y un monitor de corriente configurado para monitorizar la corriente consumida en la salida y suministrar la senal indicativa de la corriente de salida al controlador. Una carga se puede conectar a traves de la salida, en cuyo caso la monitorizacion de la corriente se puede configurar para monitorizar la corriente consumida por la carga.
Otras realizaciones proporcionan un vehfculo que comprende cualquiera de las fuentes de energfa electrica hforidas o aparatos electricos que se ha descrito anteriormente, incluyendo vehfculos aereos, vehfculos marinos y vehfculos terrestres, por ejemplo, vehfculos aereos no tripulados, aviones, autobuses, autocares, camiones y automoviles.
Los ejemplos tambien proporcionan un procedimiento de suministro de energfa electrica a partir de un sistema hforido de energfa electrica que comprende una primera y segunda fuentes de energfa electrica conectadas en paralelo a una carga, comprendiendo el procedimiento: determinar la corriente consumida por la carga; comparar la corriente de la carga con un nivel de corriente de referencia; y regular la tension proporcionada por la primera fuente de energfa electrica o la segunda fuente de energfa electrica, ajustando asf el balance de la corriente de carga suministrada entre la primera y segunda fuentes de energfa electrica de tal manera que: cuando la corriente de carga es mas baja que el nivel de corriente de referencia, la primera fuente de energfa suministra substancialmente toda la corriente de carga; y cuando la corriente de carga excede el nivel de corriente de referencia, la primera fuente de energfa suministra una corriente igual al nivel de corriente de referencia y la segunda fuente de energfa suministra el resto de la corriente requerida por la carga. La primera fuente de energfa es una pila de combustible y, la segunda fuente de energfa es una batena.
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Breve descripcion de los dibujos
Las realizaciones de la presente invencion, ejemplos fuera del alcance de las reivindicaciones, junto con aspectos de la tecnica anterior, se describiran ahora con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
La figura 1 muestra un diagrama de circuito de un sistema tnbrido de ene^a electrica de la tecnica anterior que comprende una batena y una celda de combustible conectadas a una carga;
La figura 2 muestra un diagrama de circuito de un sistema tnbrido de energfa electrica de un primer ejemplo;
La figura 3 es una representacion esquematica de un procedimiento de funcionamiento de la fuente de energfa electrica tnbrida de la figura 2;
La figura 4 muestra un grafico que ilustra la cantidad de corriente suministrada a la carga desde cada una de una batena y una pila de combustible;
La figura 5 muestra un diagrama de circuito de un sistema tnbrido de energfa electrica de la presente invencion;
La figura 6 muestra un diagrama de circuito de un sistema tnbrido de energfa electrica de un segundo ejemplo; y
La figura 7 muestra un diagrama de circuito de un sistema tnbrido de energfa electrica de un tercer ejemplo.
Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
La figura 2 muestra un sistema tnbrido de energfa electrica 100 que comprende dos fuentes de energfa 110, 120 conectadas en paralelo a traves de una carga 130. En este ejemplo, la fuente de energfa marcada 110 comprende una pila de combustible 110 y la fuente de energfa marcada 120 comprende una batena. Otras disposiciones son posibles, tal como sera evidente a partir de la descripcion anterior. La pila de combustible 110 y la batena 120 suministran la corriente consumida mediante la carga 130 a traves de un bus 150. Un convertidor de tension 140 esta situado entre la pila de combustible 110 y la carga 130, y funciona para controlar el potencial situado en el bus 150 desde la mitad de la pila de combustible del circuito. El convertidor de tension 140 se utiliza para controlar este potencial respecto al potencial sustancialmente constante proporcionado por la batena 120. Esto se tiace de tal manera que la corriente consumida por la carga 130 es principalmente producida por la pila de combustible 110 en lugar de la batena 120, tal como se explicara en mayor detalle mas adelante.
En general, los convertidores de tension tienen cuatro terminales: los terminos Vout+ y Vout- se utilizan para indicar los terminales de salida positivo (alto) y negativo (bajo), respectivamente, y Vin+ y Vin- se utilizan para indicar los terminales de entrada correspondientes.
La tension entre Vout+ y Vout- se utiliza para regular el flujo de corriente a lo largo del bus 150, bajo la gestion de un controlador 160. El controlador 160 recibe una serial desde un monitor de corriente 170 indicativa de la corriente total Itot consumida por la carga 130. Esta corriente Itot puede ser suministrada en parte por la pila de combustible (Ifc) y en parte de la batena (Ib). La figura 3 muestra un procedimiento de funcionamiento de la fuente tnbrida de energfa electrica 100, y esta etapa de determinacion de la corriente consumida por la carga 130 se muestra en 10.
En 20, el controlador 160 compara Itot con un nivel de corriente de referencia Iref. En esta realizacion, Iref es la corriente maxima que la pila de combustible 110 es capaz de suministrar a la carga 130.
El resultado de la comparacion entre el nivel de corriente suministrada a la carga 130 y el nivel de corriente de referencia Iref tiene dos resultados, tal como se indica en 30 en la figura 3.
Si el controlador 160 determina que la corriente total Itot consumida por la carga es menor o igual a la corriente de referencia Iref, entonces en 40 el controlador 160 ajusta la tension de salida del convertidor de tension 140 a un nivel relativamente bajo. Esto se traduce en que la tension del bus tambien esta en un nivel bajo. El nivel de la tension se ajusta de tal manera que la corriente IfC suministrada por la pila de combustible 110 es sustancialmente igual a la corriente consumida por la carga Itot. Como resultado, no se consumo sustancialmente ninguna corriente proveniente de la batena 120. Como se puede apreciar por parte de los expertos en la materia, el calculo real de la tension necesaria para asegurar que no se consume corriente de la batena 120 es rutinario.
Si el controlador 160 determina que la corriente total Itot suministrada a la carga 130 es mayor que el nivel de corriente de referencia Iref, entonces en 50 el controlador 160 ajusta la tension de salida del convertidor de tension 140 a un nivel relativamente alto (mayor que la tension A de la figura 4). Este nivel es escogido de tal manera que la pila de combustible 110 suministra su corriente maxima, es decir, Ifc = Iref. Como esto no es suficiente para satisfacer la carga 130, la carga 130 consume el resto de la corriente (Ib = Itot- Iref) de la batena 120.
La variacion de Ifc e Ib con Itot se ilustra en la figura 4. Tal como se puede ver, Ib sustancialmente es igual a cero tiasta que Itot > Iref, y en ese momento Ib incrementa linealmente. Ifc aumenta linealmente desde cero tiasta que alcanza su valor maximo Iref.
Tal como se tia indicado en 60 en la figura 3, el proceso se repite periodicamente de modo que el monitor de corriente 170 y el controlador 160 actuan periodicamente para determinar la corriente consumida por la carga 130, para compararlo con Iref, y para ajustar la tension suministrada por el convertidor de tension 140 en consecuencia.
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El ejemplo anterior hace uso del convertidor de tension 140 para establecer una tension de salida en el lado de la pila de combustible del circuito respecto a la tension suministrada por la batena 120, controlando as^ como el suministro de la corriente Itot a la carga 130 es compartido entre la pila de combustible Ifc y la batena Ib. De acuerdo con una realizacion de la presente invencion, esto se puede realizar igualmente bien con el convertidor de tension 140 colocado en el lado de la batena del circuito, tal como se muestra en la figura 5. Asf, el convertidor de tension 140 se conecta entre la batena 120 y la carga 130. Espedficamente, las entradas Vin+ y Vin- del convertidor de tension 140 estan conectadas a traves de los dos terminales de la batena 120, y las salidas Vout+ y Vout- estan conectadas a traves de la carga 130. Como quedara claro, esto funciona esencialmente de la misma manera que el ejemplo de la figura 2: esta vez, el convertidor de tension 140 se utiliza para establecer una tension en relacion a la tension suministrada por la pila de combustible 110. Una vez mas, esto determina como la corriente que se suministra a la carga 130 se reparte entre la pila de combustible 110 y la batena 120, siendo el objetivo de nuevo minimizar la contribucion de la batena 120. La tension se ajusta de la misma manera tal como se muestra en la figura 3, es decir, si Itot ^ Iref, entonces la tension se establece tal que Ifc = Itot, de lo contrario, la tension se establece tal que IfC = Iref.
Las disposiciones de las figuras 2 y 5 muestran el convertidor de tension 140 conectado en paralelo con la pila de combustible 110 y la batena 120, respectivamente. En otro ejemplo, ilustrado en la figura 6, el convertidor de tension 140 esta conectado electricamente en serie con la pila de combustible 110. Es decir, la entrada baja (Vin-) y la salida alta (Vout+) estan conectadas a traves de la carga 130, y la entrada alta (Vin+) y la salida baja (Vout-) estan conectadas a la pila de combustible 110. La figura 7 muestra una disposicion similar con el convertidor de tension 140 conectado electricamente en serie con la batena 120. Es decir, la entrada baja (Vin-) y la salida alta (Vout+) estan conectadas a traves de la carga 130, y la entrada alta (Vin+) y la salida baja (Vout-) estan conectadas a la batena 120.
Las disposiciones anteriores tienen una utilidad general. Por ejemplo, el sistema tnbrido de energfa electrica se puede utilizar para alimentar vetnculos tales como automoviles o aviones no tripulados (UAVs, por ejemplo). La presente invencion tambien se presta a aparatos portatiles.
Tal como puede apreciar el experto en la materia, pueden realizarse modificaciones a las realizaciones anteriores, sin apartarse del alcance de la invencion tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
En particular, las realizaciones anteriores no estan previstas para funcionar para recargar la batena 120. Por lo tanto, la batena 120 tendra una vida util finita y eventualmente necesitara ser reemplazada. Como tal, es conveniente que la batena 120 se use lo menos posible con el fin de prolongar su vida util.
La pila de combustible 110 y la batena 120 se pueden elegir entre cualquiera de una serie de disenos. Por ejemplo, la pila de combustible 110 puede ser una pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), una pila de combustible de acido fosforico (PAFC), una pila de combustible de oxido solido (SOFC), una pila de combustible de carbonato fundido (MCFC), o cualquier otro tipo adecuado. La batena puede ser de iones de litio o de cualquier otro tipo apropiado. El convertidor de tension puede ser un convertidor smcrono Buck, un convertidor Buck de paso hacia abajo, un convertidor de empuje de paso hacia arriba, un convertidor Buck de empuje, o cualquier otro convertidor de tension adecuado, tal como el chip regulador de tension LM140 suministrado por National Semiconductor.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Fuente de energfa electrica hubrida (100) para el suministro de corriente a una carga (130) conectada a una salida (150) de la fuente de alimentacion, comprendiendo la fuente de alimentacion:
    una primera (110) y una segunda (120) fuentes de energfa electrica configuradas para suministrar corriente a la salida (150), en el que la primera fuente de energfa (110) es una pila de combustible y la segunda fuente de energfa (120) es una batena;
    un regulador de tension (140) acoplado electricamente entre la salida y la batena como segunda fuente de energfa electrica, estado el regulador de tension conectado en paralelo con la batena;
    un controlador (160) configurado para recibir una senal indicativa de la corriente que se esta consumiendo en la salida (150) y para comparar la corriente de salida con un nivel de corriente de referencia siendo el nivel de corriente de referencia la corriente maxima disponible de la primera fuente de energfa,
    caracterizada porque:
    el regulador de tension (140) esta conectado a la segunda fuente de energfa y esta configurado para regular la tension suministrada a la salida mediante la regulacion de la tension suministrada por la segunda fuente de energfa electrica;
    el controlador (160) esta configurado para utilizar el regulador de tension para ajustar la tension suministrada por la segunda fuente de energfa electrica de tal manera que:
    cuando la corriente de salida es menor que el nivel de corriente de referencia, el regulador de tension ajusta la tension suministrada a la salida a un primer nivel de tal manera que la pila de combustible, como la primera fuente de energfa, suministra corriente igual a la corriente de salida; y
    cuando la corriente de salida excede del nivel de corriente de referencia, el regulador de tension ajusta la tension suministrada a la salida a un segundo nivel mayor que el primero, de manera que la pila de combustible, como la primera fuente de energfa, suministra corriente igual al nivel de corriente de referencia y la batena, como la segunda fuente de energfa, suministra la corriente restante requerida por la carga.
  2. 2. Aparato electrico que comprende: la fuente de energfa electrica hubrida (100) segun la reivindicacion 1, y un monitor de corriente configurado para monitorizar (170) la corriente consumida en la salida y para suministrar la senal indicativa de la corriente de salida al controlador (160).
  3. 3. Aparato electrico que comprende: la fuente de energfa electrica hubrida segun la reivindicacion 1, y una carga (130) conectada a la salida de la fuente de alimentacion electrica hubrida (100), en el que la carga consume corriente de la salida.
  4. 4. Aparato electrico segun la reivindicacion 3, que tambien comprende un monitor de corriente (170) configurado para controlar la corriente consumida por la carga (130) y para suministra la senal indicativa de la corriente de salida al controlador (160).
  5. 5. Vehuculo que comprende la fuente de energfa electrica hubrida segun la reivindicacion 1 o el aparato segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4.
  6. 6. Vehuculo aereo que comprende la fuente de energfa electrica hubrida segun la reivindicacion 1 o el aparato segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4.
  7. 7. Procedimiento para el suministro de energfa electrica a partir de un sistema hubrido de energfa electrica (100) que comprende una primera (110) y una segunda (120) fuentes de energfa electrica conectadas en paralelo a una carga (130), siendo la primera fuente de energfa una pila de combustible y siendo la segunda fuente de energfa una batena, y un regulador electrico acoplado entre la carga y la segunda fuente de energfa, estando el regulador conectado en paralelo con la batena como segunda fuente de energfa, comprendiendo el procedimiento:
    determinar la corriente que esta siendo consumida por la carga (130);
    comparar la corriente de carga con un nivel de corriente de referencia, siendo el nivel de corriente de referencia la maxima corriente disponible de la primera fuente de energfa; y
    regular la tension suministrada a la carga mediante la segunda fuente de energfa electrica (120) y ajustar asf el balance de la corriente de carga suministrada entre la primera y segunda fuentes de energfa electrica de tal manera que: cuando la corriente de la carga es menor que el nivel de corriente de referencia, la tension de la carga se ajusta en un primer nivel de manera que la primera fuente de energfa suministra sustancialmente toda la corriente a la carga; y cuando la corriente de la carga excede del nivel de corriente de referencia, la tension de la carga se ajusta en un segundo nivel, mayor que el primero, de manera que la primera fuente de energfa (110) suministra una corriente igual al nivel de corriente de referencia y la segunda fuente de energfa (120) suministra la corriente restante requerida por la carga.
  8. 8. Vehnculo que comprende un sistema hforido de energfa electrica y un controlador dispuesto para realizar el procedimiento de la reivindicacion 7.
ES07380063.3T 2007-03-06 2007-03-06 Fuente de energía eléctrica híbrida Active ES2375402T5 (es)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07380063.3A EP1967407B2 (en) 2007-03-06 2007-03-06 Hybrid electrical power source

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Publication Number Publication Date
ES2375402T3 ES2375402T3 (es) 2012-02-29
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