冉淵 郭凱 王棟 徐政 陳明

摘 ?要：針對P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，制定了發(fā)動機(jī)、電機(jī)功率分配策略。應(yīng)用Modelica語言搭建整車模型，分析了混合動力系統(tǒng)的工作模式，比較了標(biāo)準(zhǔn)試驗工況下某車型傳統(tǒng)動力和P3混合動力的燃油經(jīng)濟(jì)性，并研究了不同最佳油耗區(qū)最小功率值對混合動力系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。結(jié)果表明，該P(yáng)3混動系統(tǒng)通過實現(xiàn)純電、行車充電、發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動、電機(jī)助力、制動回收等工作模式，使車輛綜合油耗下降16.3～23.9%;隨著最佳油耗區(qū)最小功率值的增加，系統(tǒng)油耗先降低后增加。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，適用于混合動力系統(tǒng)的開發(fā)與研究。

關(guān)鍵詞：混合動力系統(tǒng);Modelica;工作模式;燃油經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號：U469.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0052-07

Modeling and Simulation of Parallel Hybrid Electric Vehicle Base on Modelica

Ran Yuan1，2， Guo Kai1，2， Wang Dong1，2， Xu Zheng1，2， Chen Ming1，2

（1.SAIC Motor Technical Center， Shanghai 201804， China;

2.Key Laboratory of Automotive Powertrain in Shanghai， Shanghai 201804， China）

Abstract： A control strategy of power distribution between different energy sources is developed for P3 parallel hybrid electric system. The simulation model is built based on Modelica language， and the automotive fuel economy of target vehicle is analyzed. The results show that the hybrid electric system can realize five working modes and effectively improve the automotive fuel economy by 16～24%.With the minimum power of optimal operation line grows， the fuel consumption firstly decreases and then increases. Moreover， the simulation results are basically identical with the experimental results. It indicates the model is suitable for hybrid electric system research.

Key words： Hybrid Electric System; Modelica; Working Mode; Fuel Economy

冉 ? 淵

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)就職于上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，系統(tǒng)集成工程師，已發(fā)表論文2篇。

1 ? ?前言

近年來，汽車行業(yè)發(fā)展面臨巨大的能源和環(huán)境壓力，油耗法規(guī)日趨嚴(yán)格，開發(fā)新能源、節(jié)能環(huán)保型車輛成為汽車領(lǐng)域研究熱點與發(fā)展方向[1]。并聯(lián)式混合動力汽車兼具傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動汽車優(yōu)點，在滿足復(fù)雜路況交通需求的同時，能夠達(dá)到節(jié)能減排目的，適應(yīng)于當(dāng)今社會的要求[2-3]。并聯(lián)式混合動力汽車整車系統(tǒng)開發(fā)涉及機(jī)械、控制、液壓等多學(xué)科領(lǐng)域[4-5]，Modelica語言能完成不同領(lǐng)域模型集成，實現(xiàn)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模，且具有建模方便靈活、模型重用性高等優(yōu)點[6-7]，在混合動力汽車研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。

本文以混合動力系統(tǒng)的工作模式為基礎(chǔ)，針對P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)制定發(fā)動機(jī)/電機(jī)功率分配策略。應(yīng)用Modelica語言搭建整車模型，分析混合動力系統(tǒng)工作模式的切換，計算、比較標(biāo)準(zhǔn)試驗工況下某車型傳統(tǒng)動力和P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)工作點及整車燃油經(jīng)濟(jì)性。研究不同最佳油耗區(qū)最小功率值對混合動力系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。此外，將仿真結(jié)果同試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證所建模型的可行性、正確性。

2 ? ?并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

2.1 ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包含內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)可單獨驅(qū)動汽車行駛，也可以協(xié)同工作，共同驅(qū)動汽車行駛[9]。依據(jù)電機(jī)在傳動系統(tǒng)中布置位置不同，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)形式，可分為P0、P1、P2、P3和P4等。P3結(jié)構(gòu)中，電機(jī)布置在變速箱的末端，相比于P0、P1，P3結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)純電驅(qū)動，同時具有更高的制動回收效率;與P2相比，P3結(jié)構(gòu)不僅能夠規(guī)避電機(jī)經(jīng)變速箱系統(tǒng)而產(chǎn)生的能量損失，而且由于發(fā)動機(jī)與電機(jī)的距離增加，減少了發(fā)動機(jī)高溫輻射對電機(jī)溫度的影響，從而減少電機(jī)溫升引起的降功率運行;針對于P4結(jié)構(gòu)中電機(jī)布置在驅(qū)動橋的型式，P3成本低，占用空間小，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在任意場景下純電驅(qū)動與發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動的切換，從而使車輛具有更好的駕駛性。因此，研究采用P3混合動力系統(tǒng)，如圖1所示，主要由發(fā)動機(jī)、無極變速器（continuously variable transmission， CVT）、電機(jī)、電池等組成，電機(jī)置于CVT輸出端，發(fā)動機(jī)輸出扭矩經(jīng)CVT后，與電機(jī)輸出扭矩疊加，繼而驅(qū)動車輪。

2.2 ? 工作模式

P3混合動力系統(tǒng)包含發(fā)動機(jī)、電機(jī)兩個動力源，為提高系統(tǒng)效率、滿足復(fù)雜路況交通需求，混合動力系統(tǒng)主要如下五種基本工作模式。

1）純電模式：在純電模式下，發(fā)動機(jī)不工作，電機(jī)作為電動機(jī)單獨驅(qū)動汽車行駛，此時電池放電，電量下降。

2）行車充電模式：在行車充電模式中，發(fā)動機(jī)開啟，其輸出扭矩分為兩部分，一部分用于驅(qū)動汽車行駛，另一部分通過電機(jī)為電池充電。此時，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，電池電量上升。

3）發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動模式：發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動模式與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車類似，汽車由發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動，電機(jī)空轉(zhuǎn)。

4）電機(jī)助力模式：在電機(jī)助力模式下，電機(jī)作為電動機(jī)，與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動汽車行駛，此時電池放電，電量下降。

5）制動回收模式：當(dāng)汽車減速制動時，電機(jī)回收制動能量，作為發(fā)電機(jī)向電池充電，電池電量增加。

2.3 ? 控制策略

混合動力系統(tǒng)控制策略直接決定發(fā)動機(jī)、電機(jī)工作點，對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性影響很大[10-11]。針對P3混合動力系統(tǒng)制定發(fā)動機(jī)/電機(jī)功率分配策略，使發(fā)動機(jī)盡可能工作在最佳油耗區(qū)（optimal operation line， OOL），提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。

控制策略主要分為兩層。第一層依據(jù)電池SOC值判斷電池狀態(tài);第二層基于所處電池狀態(tài)，依據(jù)駕駛員功率需求和車速，判斷系統(tǒng)工作模式，進(jìn)而確定發(fā)動機(jī)和電機(jī)功率分配。

依據(jù)電池SOC值對電池狀態(tài)分區(qū)，如圖2所示，分為A、B、C區(qū)。A區(qū)電量較低，為保證系統(tǒng)正常工作，避免電池過度放電，此部分電量應(yīng)盡量給予保證。B區(qū)位于A、B區(qū)之間，此區(qū)間電池內(nèi)阻小，充放電效率較高，應(yīng)使電池電量盡可能處于此區(qū)間;C區(qū)主要為制動能量回收預(yù)留空間，同時為避免電池過充，此部分電量應(yīng)盡可能空出。分區(qū)限值設(shè)為上下限值（SOCUmax/SOCUmin、SOCLmax/SOCLmin）形式，避免電池狀態(tài)頻繁切換，從而避免系統(tǒng)工作模式頻繁切換。

對于P3混合動力系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)工作在OOL上，電機(jī)對功率需求進(jìn)行“削峰填谷”。如圖3所示，當(dāng)車速很較低，駕駛員需求功率很小時，發(fā)動機(jī)效率很低，電機(jī)單獨驅(qū)動汽車行駛，發(fā)動機(jī)不工作。當(dāng)車速超過純電模式最大車速限制，而駕駛員需求功率低于OOL的最小功率點時，進(jìn)入行車充電模式，發(fā)動機(jī)工作在OOL最小功率點，多余功率通過電機(jī)為電池充電。當(dāng)汽車中高速行駛，駕駛員功率需求在發(fā)動機(jī)最佳油耗區(qū)時，發(fā)動機(jī)效率高，直接驅(qū)動汽車行駛，電機(jī)空轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車爬陡坡、超車時，駕駛員需求功率很大，超過OOL最大功率點，進(jìn)入電機(jī)助力模式，發(fā)動機(jī)工作在OOL最大功率點，不足功率由電機(jī)提供。另外，汽車減速制動時，回收制動能量。

為了使仿真更加接近實際情況， 以上描述的控制策略也兼顧了駕駛性的需求。比如，低速大扭矩工況，如果發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速過高，可以根據(jù)NVH目標(biāo)加以控制，這個可以對電機(jī)的功率/扭矩進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

本文的能量回收采用優(yōu)先回收的策略，也采取了串聯(lián)制動回收策略。 本策略在實施中考慮了電池功率極限和電機(jī)扭矩極限。

3 ? ?混合動力系統(tǒng)仿真模型

3.1 ? 模型架構(gòu)

基于Modelica語言開發(fā)搭建了P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。模型包含駕駛員、發(fā)動機(jī)、電機(jī)、液力變矩器（torque converter， TC）、CVT、主減速器、電池、DC/DC、用電器、車身、輪胎、控制系統(tǒng)等組件。

相比于其他商業(yè)軟件僅側(cè)重于某單一領(lǐng)域，難以實現(xiàn)多領(lǐng)域集成仿真分析，Modelica語言解決了基于多軟件耦合計算產(chǎn)生的解耦困難、求解誤差大、計算效率低、模型搭建復(fù)雜等問題，實現(xiàn)在同一平臺下涉及多領(lǐng)域的仿真模型搭建與分析，滿足P3混合動力系統(tǒng)仿真模型搭建的需求。同時，Modelica語言的開源特性使模型搭建具有較強(qiáng)的自主性與拓展性，提高模型重用率及開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。

駕駛員依據(jù)汽車實際車速和仿真任務(wù)給定的駕駛循環(huán)，通過PID控制，計算加速踏板、制動踏板行程;控制系統(tǒng)依據(jù)加速踏板、制動踏板行程，計算駕駛員需求功率，結(jié)合電池SOC信號、實際車速信號，判斷混合動力系統(tǒng)的工作模式，基于系統(tǒng)所處的工作模式，分配發(fā)動機(jī)/電機(jī)輸出功率，并由車速信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號計算CVT速比;發(fā)動機(jī)、電機(jī)、CVT等接收控制系統(tǒng)的控制信號，最終得到汽車的燃油消耗。

3.2 ? 關(guān)鍵子模型

3.2.1 發(fā)動機(jī)模型

發(fā)動機(jī)模型基于數(shù)表建模方法，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)搭建。依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度判斷燃燒模式，若發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于怠速轉(zhuǎn)速且節(jié)氣門開度大于0時，燃燒模式為1，否則燃燒模式為0。

當(dāng)燃燒模式為1時，發(fā)動機(jī)正常工作，計算當(dāng)前轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度下的輸出扭矩，進(jìn)而計算出當(dāng)前平均有效缸內(nèi)壓力，得到此刻的有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption， BSFC），最終計算出發(fā)動機(jī)瞬態(tài)燃油消耗量，并依據(jù)需求進(jìn)行或不進(jìn)行冷啟動修正。發(fā)動機(jī)瞬態(tài)燃油消耗經(jīng)時域積分得到整個行駛工況發(fā)動機(jī)燃油消耗量。

當(dāng)燃燒模式為0時，發(fā)動機(jī)處于倒拖狀態(tài)，屬于耗能部件，利用倒拖曲線得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的扭矩。

3.2.2 電機(jī)模型

電機(jī)模型可用作電動機(jī)和發(fā)電機(jī)。電機(jī)作為電動機(jī)時，電功率為機(jī)械功率和功率損失之和。電機(jī)作為發(fā)電機(jī)時，電功率等于機(jī)械功率和功率損失之差。其中，功率損失為電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的函數(shù)。

3.2.3 電池模型

電池模型包括電壓源和歐姆內(nèi)阻模型，可以模擬單個電池或多個電池通過串并聯(lián)的任意組合。SOC計算采用時域積分法，將電池主回路電流對時間積分，充電時電流為負(fù)，放電時電流為正，用初始電流減去積分結(jié)果，得到電池當(dāng)前電量，電池當(dāng)前電量與總電量之比即為當(dāng)前SOC值。另外，電池內(nèi)阻和開環(huán)電動勢均定義為SOC的函數(shù)。

3.2.4 控制系統(tǒng)模型

控制系統(tǒng)模型可以實現(xiàn)整車能量流分配、CVT控制、發(fā)動機(jī)控制等。

對于P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)而言，擁有發(fā)動機(jī)和電機(jī)兩個動力源，其能量流分配是控制系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)油耗收益有很大影響。在能量流分配控制模塊中，以加速/制動踏板位置、電池SOC值、實際車速、發(fā)動機(jī)和電機(jī)實際轉(zhuǎn)速等為輸入信號，計算駕駛員功率需求，判斷電池狀態(tài)和系統(tǒng)工作模式，決定電機(jī)工作狀態(tài)（發(fā)電機(jī)/電動機(jī)）、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)（驅(qū)動/倒拖），進(jìn)而計算出發(fā)動機(jī)輸出功率和電機(jī)輸出扭矩。發(fā)動機(jī)控制模塊依據(jù)發(fā)動機(jī)輸出功率，計算節(jié)氣門開度及需求轉(zhuǎn)速。CVT控制模塊依據(jù)發(fā)動機(jī)需求轉(zhuǎn)速和實際車速計算變速箱需求速比。最終，將控制系統(tǒng)的控制量作為輸出信號，與具體的物理模型相聯(lián)系，在統(tǒng)一平臺上，完成整個控制過程。

4 ? ?仿真與分析

4.1 ? 仿真工況

針對P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)制定的發(fā)動機(jī)/電機(jī)功率分配策略及基于Modelica語言開發(fā)搭建的整車模型適用于所有工況，為詳細(xì)分析混合動力系統(tǒng)的工作模式切換與整車燃油經(jīng)濟(jì)性，仿真采用新歐洲測試循環(huán)（new European drive cycle，NEDC）和全球輕型汽車測試循環(huán)（world-wide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）。

4.2 仿真結(jié)果與分析

4.2.1 系統(tǒng)工作模式分析

在NEDC工況下仿真，發(fā)動機(jī)/電機(jī)輸出扭矩和池SOC值變化曲線分別如圖5、圖6所示：

由圖5可知，在汽車起步或低速低功率需求時，系統(tǒng)處于純電模式，電機(jī)輸出功率為正，發(fā)動機(jī)輸出功率為負(fù)。汽車中速、中低功率需求時，電機(jī)輸出扭矩為負(fù)，發(fā)動機(jī)輸出扭矩為正，系統(tǒng)進(jìn)入行車充電模式。汽車中高速行駛、中高功率需求時，電機(jī)輸出扭矩為零，發(fā)動機(jī)輸出扭矩為正，此時系統(tǒng)處于發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動模式。當(dāng)汽車高速行駛，駕駛員需求功率很高時，系統(tǒng)進(jìn)入電機(jī)助力模式，電機(jī)和發(fā)動機(jī)輸出扭矩均為正值。當(dāng)汽車減速制動時，電機(jī)和發(fā)動機(jī)輸出扭矩均為負(fù)值，系統(tǒng)完成制動能量回收。

另外，結(jié)合電池SOC變化曲線可知，在NEDC 工況開始時，電池狀態(tài)處于B區(qū)，驅(qū)動工況下，系統(tǒng)在純電模式、行車充電模式、發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動模式中切換，而在672s時，電池SOC值上升至SOCUmax，電池狀態(tài)退出B區(qū)，進(jìn)入C區(qū)，驅(qū)動工況下，系統(tǒng)更多的運行在純電模式中。直到984s 時，電池SOC下降至SOCUmin，電池狀態(tài)再次進(jìn)入B區(qū)。在整個NEDC循環(huán)中，電池SOC值在SOCU min～SOCUmax間波動。通過對電池狀態(tài)進(jìn)行分區(qū)，在不同的電池狀態(tài)下制定不同的控制策略，能保證電池電量適中，不發(fā)生過充、過放情況。

同樣地，在WLTC工況下仿真，系統(tǒng)能依據(jù)電池SOC值、車速和駕駛員功率需求的變化，完成純電、行車充電、發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動、電機(jī)助力和制動回收五種工作模式的切換，并且在整個循環(huán)中電池電量適中，電池未出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象。WLTC工況下，發(fā)動機(jī)/電機(jī)輸出扭矩、電池SOC變化曲線分別如圖7、8所示：

4.2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性分析

在NEDC和WLTC工況下進(jìn)行仿真，相比于傳統(tǒng)車，P3混合動力系統(tǒng)能有效降低系統(tǒng)油耗。一方面，P3混合動力系統(tǒng)利用電機(jī)、電池實現(xiàn)純電、行車充電、助力等工作模式，調(diào)節(jié)并控制發(fā)動機(jī)工作點，使發(fā)動機(jī)盡可能工作在OOL上，避免工作在BSFC值較大點，從而提高發(fā)動機(jī)效率，降低油耗，圖9為WLTC工況下傳統(tǒng)車與P3混合動力汽車發(fā)動機(jī)工作點對比圖;另一方面，P3混合動力系統(tǒng)回收制動能量并儲存在電池中，用于低速純電行駛或急加速時的電機(jī)助力，進(jìn)一步提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。

進(jìn)一步地，改變P3混合動力系統(tǒng)OOL最小功率點位置，計算不同OOL最小功率值下，混合動力系統(tǒng)在NEDC和WLTC工況下的綜合油耗。在圖10中， OOL最小功率值從小到大依次為A、B、C、D、E。

分析圖11可知，在NEDC和WLTC工況下，隨著OOL最小功率值增大，P3混合動力系統(tǒng)的綜合油耗先降低后升高。其中，NEDC工況下，OOL最小功率點由A點化至E點時，混合動力系統(tǒng)綜合油耗最大波動率為4.7%，且OOL最小功率值位于C點時，系統(tǒng)綜合油耗最低;WLTC工況下，混合動力系統(tǒng)綜合油耗最大波動率為3%，且OOL最小功率點位于D點時，系統(tǒng)綜合油耗最低。

OOL最小功率值從A點增大至E點時，發(fā)動機(jī)開始工作的最小功率點也由A點對應(yīng)的功率增加至E點。分析圖12，OOL最小功率值由A增大至D時，發(fā)動機(jī)工作點向BSFC值更小的區(qū)域移動，發(fā)動機(jī)效率提高使得系統(tǒng)綜合油耗降低;當(dāng)OOL最小功率值繼續(xù)增加至E點時，系統(tǒng)綜合油耗反而上升，這是因為雖然提高了發(fā)動機(jī)效率，但增加了發(fā)動機(jī)向電池充電過程中的能量損失，發(fā)動機(jī)效率提高帶來的油耗收益不足以抵消充電過程中能量損失。因此，一定程度提高OOL最小功率值有利于系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性，但OOL最小功率值不宜過高。

在NEDC和WLTC工況下，OOL最小功率值分別取點C和點D，計算該P(yáng)3并聯(lián)式混合動力車型的百公里油耗，同傳統(tǒng)車相比，百公里綜合油耗分別下降23.9%、16.3%，如圖13所示：

為了驗證該模型，分別將傳統(tǒng)車以及P3混合動力汽車的NEDC百公里燃油消耗量試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。仿真模型采用的整車、動力總成系統(tǒng)參數(shù)與試驗車輛指標(biāo)相同，發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的燃油消耗量來源于同款發(fā)動機(jī)臺架試驗BSFC MAP數(shù)據(jù)，CVT不同速比、傳扭下的效率來自同款CVT試驗數(shù)據(jù)，電機(jī)效率圖來自于一個實際同規(guī)格電機(jī)的實測數(shù)據(jù)修正值，仿真模型未考慮電器附件消耗。

如表1所示，對于傳統(tǒng)車，百公里油耗仿真值和試驗值相差1.7%;對于P3混合動力汽車，百公里油耗仿真值和試驗值相差0.4%。傳統(tǒng)車和混合動力汽車百公里油耗仿真計算值與試驗值相差均小于3%，說明基于Modelica語言搭建的模型正確、可靠。為后續(xù)混合動力系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)、系統(tǒng)匹配、功率分配策略優(yōu)化等提供了平臺。

5 ? ?結(jié)束語

針對P3并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，制定了發(fā)動機(jī)、電機(jī)功率分配策略，基于Modelica語言開發(fā)了動力總成零部件模型庫，搭建了整車模型并進(jìn)行了仿真計算。結(jié)果表明，制定的發(fā)動機(jī)/電機(jī)功率分配策略能使混合動力系統(tǒng)實現(xiàn)純電、行車充電、發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動、電機(jī)助力、制動回收五種工作模式，改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性;隨著OOL最小功率值的增加，混合動力系統(tǒng)綜合油耗先降低后上升，一定程度提高OOL最小功率值有利于系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性，但OOL最小功率值不宜過高;某車型P3混合動力和傳統(tǒng)動力相比，NEDC工況整車油耗降低23.9%，WLTC工況整車油耗降低16.3%。另外，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，驗證了所建模型的可行性、正確性，為其他構(gòu)型混合動力系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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