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ISEA News
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische
Antriebe
www.isea.rwth-aachen.de
Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
April 2015, Nr. 1/2015
Aus dem Inhalt
Parametrierung physikalisch-chemischer Modelle
Nach intensiver Forschungsarbeit ist es am ISEA gelungen, eine
Methodik zur Parametrierung eines physikalisch-chemischen Modells für
Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Die Modelle sollen u. a. zur OptiSeite 3
mierung von Batterie-Betriebsstrategien verwendet werden.
Ladestrategien für gewerbliche Fahrzeugflotten
In zwei Projekten erforschen die RWTH-Institute ISEA und PGS Ladestrategien für gewerbliche Fahrzeugflotten. Auf Basis der gewonnen
Daten werden Empfehlungen für den Ausbau von Ladeinfrastrukturen
Seite 5
erarbeitet.
Leistungselektronik • Kleinere und effizientere Ladegeräte dank Luftkühlung Seite 2
Kurz & knapp
Seiten 3/4/5
Elektrische Antriebe • Entwicklung eines innovativen Range-Extender-Moduls Seite 4
Elektrische Antriebe • Vielseitige Prüfinfrastruktur
Seite 6
Veranstaltungen/Termine
Seite 7
Dissertation • Tilman Sanders
Seite 7
Auswahl aktueller Publikationen
Seite 8
Editorial
Liebe Leserinnen, liebe Leser,
die Monate März bis Juni stehen für das
ISEA im Zeichen von drei Konferenzen, an
deren inhaltlicher Gestaltung und Organisation wir maßgeblich beteiligt sind.
Anfang März fanden in Düsseldorf die erstmals an einem Ort vereinigten Tagungen
International Renewable Energy Storage
Conference IRES und Energy Storage
zusammen mit einer Messe mit rund 100
Ausstellern statt. Ende April heißen wir
Forscher aus Industrie und Wissenschaft
aus dem Bereich der Batterietechnik zum
NRW-Batterietag und zur Tagung Kraftwerk
Batterie im Aachener Eurogress und auch
bei uns am Institut willkommen. Ende Juni
findet dann das International Symposium
on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) im Hotel Quellenhof
ebenfalls in Aachen statt. Beste Gelegenheiten also, sich zu den aktuellen Fragen
in Forschung und Wissenschaft auszutauschen und Aachen, das immer eine Reise
wert ist, einen Besuch abzustatten.
Herzliche Grüße,
Dirk Uwe Sauer
Speichersysteme I Prüfinfrastruktur
Neuer HiL-Prüfstand unterstützt Entwicklung neuer Batteriemangementsysteme
In der Abteilung Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik des ISEA
wird seit einigen Jahren aktiv an der Weiterentwicklung von Batteriemanagementsystemen
geforscht. Der Fokus liegt hierbei insbesondere
auf der Erhöhung der Sicherheit und Kosteneffizienz und auf der Erprobung neuartiger
Konzepte und Diagnoseverfahren.
Im Rahmen des vom BMWi geförderten
Verbundprojekts DriveBattery2015 wurde am
Institut jetzt ein Hardware-in-the-Loop (HiL; s.
Bild, Seite 2) Prüfstand für Batteriemanagementsysteme (BMS) in Betrieb genommen.
Batteriemanagementsysteme dienen innerhalb von Batteriepacks zur Überwachung und
Diagnose der Batteriezellen. Diese Aufgaben
sind für die Sicherheit des gesamten Speichersystems von enormer Bedeutung, insbesondere
bei Verwendung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Grund genug, solche Systeme schon in
der Entwicklungsphase eingehend zu testen.
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Der neue HiL-Prüfstand ist der größte seiner Art
an einer deutschen Hochschule und ermöglicht
realitätsnahe Tests sowohl der Hardware als
auch der Software eines BMS. Zu diesem Zweck
kann der Prüfstand ein komplettes Batteriepack mit bis zu 128 Zellen emulieren. Dank des
leistungsfähigen integrierten Echtzeitrechners
können am Institut entwickelte impedanzbasierte Batteriemodelle eingesetzt werden, die
in Echtzeit die Spannungsantworten aller Zellen
auf ein beliebiges, auf die jeweilige Applikation
Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
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Antriebe
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Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
abgestimmtes Lastprofil berechnen. Dabei
stellt die Zellemulationshardware des Prüfstands dem BMS die aus dem Modell berechneten Einzelzellspannungen zur Verfügung.
Weitere Komponenten des Prüfstands ermöglichen die Emulation
von Temperatur- und Stromsensoren auf Signalebene sowie die
Emulation von Batterieschützen
und Trennschaltern. Selbstverständlich können diese Komponenten,
falls sie real für den Test vorliegen,
ebenso in die Prüfstandsumgebung
integriert werden. Möglich ist auch
eine Restbussimulation der notwendigen CAN-Signale. Letztlich wird das
BMS in einer Prüfstandsumgebung
betrieben, die den Verhältnissen im
realen Batteriepack exakt nachgebildet ist.
Anders als beim Betrieb mit echten
Batteriezellen können hier jedoch
Fehlerzustände wie zum Beispiel
Überladung, Tiefentladung oder Zellkurzschlüsse gezielt und vor allem
gefahrlos nachgestellt werden.
Ebenso ist die Reproduzierbarkeit
der Versuche problemlos möglich: Wenn zum
Beispiel ein Fehler in der Software entdeckt
und behoben wurde, kann der Erfolg der
Maßnahme unmittelbar durch Wiederholung
des Tests überprüft werden. Bei Verwendung
realer Zellen ist eine solche Wiederholung kaum
hinreichend exakt möglich.
Auch der durch das BMS durchgeführte
Ladungsausgleich (Balancing) kann mit dem
neuen Prüfstand getestet werden. Die dabei
April 2015, Nr. 1/2015
verwendeten Batteriemodelle sind flexibel auf
nahezu beliebige Zelltypen parametrierbar.
Durch statistische Variation der Modellparameter können so Inhomogenitäten des Zellverhaltens nachgebildet werden.
Diese sind in einem realen Batteriepack von großer Bedeutung, da zum
Beispiel bei einer Serienschaltung
von Batteriezellen die „schwächste“
Zelle die Performance des Gesamtsystems bestimmt. Das Balancing
dient dann zum Ausgleich von Spannungs- bzw. Ladezustandsunterschieden zwischen einzelnen Zellen.
Mithilfe der nun am ISEA möglichen
HiL-Tests können solche Effekte vor
dem Hintergrund der in der Realität
ungleichmäßigen Zellalterung untersucht werden. Für entsprechende
Testaufbauten aus realen Zellen
müsste jede einzelne Zelle aufwendig
vorgealtert werden.
Insgesamt lassen sich mithilfe des
HiL-Prüfstandes nahezu sämtliche
Funktionen eines BMS realitätsnah,
sicher und vor allem kosteneffizient
schon während der Entwicklung
testen – ein nicht zu unterschätzender Beitrag
zur Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit
neu entwickelter Batteriemanagementsysteme.
Leistungselektronik I Forschungsprojekt
Ladegeräte werden kleiner und effizienter dank Luftkühlung
Im Rahmen des vom BMBF geförderten
Forschungsprojekts Luftstrom hat das ISEA die
Aufgabe übernommen, ein luftgekühltes bidirektionales Ladegerät für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Ziel ist es, mit möglichst wenig Bauraum
auszukommen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Die
Verbindung mit dem Stromversorgungsnetz soll
über eine haushaltsübliche Steckdose erfolgen.
Zudem soll die Batterie des Fahrzeugs durch
die Bereitstellung bzw. Aufnahme von Regelleistung, also durch zeitlich gezieltes Laden und
Entladen, zur Stabilisierung des Versorgungsnetzes genutzt werden. Das ISEA entwickelt in
diesem Projekt einen funktionsfähigen Laborprototypen, der mit einem geringeren Bauvolumen
als herkömmliche wassergekühlte Ladegeräte
auskommt und sich gleichzeitig durch einen
hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
Um den Bauraum zu reduzieren, werden
schnellschaltende Bauelemente eingesetzt.
Derartige Bauelemente ermöglichen deutlich
höhere Schaltfrequenzen als siliziumbasierte
2
Halbleiter, wie sie heute üblicherweise in
kommerziell verfügbaren Geräten eingesetzt
werden. Die höheren Schaltfrequenzen sollen
genutzt werden, um ein geringeres Bauraumvolumen der passiven Komponenten zu erreichen. Dies gilt insbesondere für das Netzfilter
und den Hochfrequenztransformator. Allerdings ist der Betrieb dieser Komponenten mit
hohen Frequenzen aufgrund verschiedener
parasitärer Effekte nicht unproblematisch.
Entsprechend ist deren optimales Design ein
zentraler Forschungsaspekt dieses Projekts.
Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
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Antriebe
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Weitere Untersuchungsgegenstände sind die
elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des
Wandlers sowie spezielle Treiberschaltungen.
Im Gesamtprojekt Luftstrom, das im Januar 2015
erfolgreich gestartet ist, werden von Projektpartnern verschiedene
Aspekte im Bereich
der Leistungselektronik für Elektround
Hybridfahrzeuge
erforscht.
Zum einen soll durch
eine Anpassung von
Aufbau- und Verbin-
dungstechnologien die maximal zulässige ChipTemperatur erhöht werden, um die Leistungsdichte zu steigern. Zum anderen werden mit
Hilfe von schnellschaltenden Bauelementen,
basierend auf Wide-Band-Gap-Materialien,
neuartige Schaltungstopologien untersucht,
um den Wirkungsgrad der Leistungselektronik zu verbessern. Beide Aspekte
machen die Untersuchung luftgekühlter
Leistungselektronik
besonders interessant.
Speichersysteme I Batterieentwicklung
Parametrierung physikalisch-chemischer Modelle
Modellparameter anhand einer Post-MortemNach intensiver Forschungsarbeit ist es am
Analyse notwendig. Hierzu werden BatteISEA gelungen, eine Methodik zur Parametrierung eines physikalisch-chemischen
Modells für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Physikalischchemische Modelle bilden die in
der Zelle ablaufenden Prozesse,
z. B. Diffusionsprozesse oder die
Reaktionskinetik, ab und werden
anhand von Materialeigenschaften
parametriert. Mithilfe solcher
Modelle erlangt man ein besseres
Verständnis der internen Vorgänge
in einer Batterie, zudem können sie
zur Materialoptimierung eingesetzt
Zellöffnung und ...
werden. Der interne Zustand einer
Batterie ist insbesondere für deren
Alterung von großer Bedeutung.
Mit einem physikalisch-chemischen
Modell kann beispielsweise das
lokale Potential der Anode vorhergesagt und zur direkten Detektion
von Lithium-Plating verwendet
werden.
Um zuverlässige Ergebnisse mit
solchen Modellen zu erzielen, ist
eine genaue Bestimmung der
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Kurz & knapp I
Projektstart Speichersysteme
in Inselstromnetzen
Am 1. Februar startete das Verbundprojekt TILOS (Technology Innovation for
the Local Scale, Optimum Integration of
Battery Energy Storage, Koordinator Prof.
John Kaldellis, (SEALAB)), das im Rahmen
des EU-Rahmenprogramms Horizon 2020,
gemeinsam mit 14 weiteren Partnern,
darunter SMA, Younicos, E.ON und FIAMM,
die optimale Integration von Speichersystemen in ein intelligentes Inselstromnetz
mit hohem Anteil erneuerbarer Energien
untersuchen und demonstrieren soll. Die
Demonstrationsphase wird auf der griechischen Insel Tilos implementiert werden. Das
Projekt hat einen Umfang von 14 Millionen
Euro und eine Laufzeit von vier Jahren.
***
Stadt erteilt Baugenehmigung für den
Batteriespeicher M5BAT
Am 9. Dezember 2014 wurde von der Stadt
Aachen die Baugenehmigung für den Batteriespeicher M5BAT erteilt. Im Rahmen des
Projekts wird ein ehemaliges Verwaltungsgebäude an der Hüttenstraße umgebaut.
Das Vorhaben umfasst zunächst die statische Ertüchtigung sowie die Ausstattung
mit der erforderlichen technischen Gebäudeausrüstung (insbesondere Brandschutz-,
Lüftungs- und Meldetechnik) und die Installation der Elektrotechnik. Für die Erteilung
der Baugenehmigung wurde u. a. ein spezielles Sicherheits- und Brandschutzkonzept
entwickelt, das im Rahmen des Bauvorhabens bis zum Jahresende 2015 umgesetzt
werden soll.
Weitere Infos unter www.m5bat.de.
... geometrische Vermessung zur Modellparametrierung
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Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
ISEA News
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Antriebe
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Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
rien unter Schutzatmosphäre geöffnet, die
geometrischen Daten ermittelt und Proben zur
weiteren Vermessung extrahiert (s. Bilder). So
kann zum Beispiel die Quecksilber-Porosimetrie
zur Bestimmung von Porosität und Partikelradien des Aktivmaterials eingesetzt werden. Aus
Strom- und Spannungsmessungen ergeben sich
Daten zur Leitfähigkeit der eingesetzten Materialien. Elektrochemische Halbzellenmessungen
an Laborzellen können zur Vermessung von
OCV-Kurven, der Diffusionskoeffizienten und
der Reaktionskinetik der einzelnen Elektroden
verwendet werden.
Am ISEA konnte gezeigt werden, dass das
so parametrierte physikalisch-chemische
Modell das Strom/Spannungsverhalten der
betrachteten Zelle für verschiedene Ströme
und verschiedene Temperaturen sowohl für
kurzzeitige Pulse, als auch für vollständige
Entladungen gut nachbilden kann. Selbst
das Abklingverhalten der Zelle in einer Konstant-Spannungs-Phase, für viele Modelle ein
Problem, kann das Modell vorhersagen. Sowohl
die Optimierung von Betriebsstrategien als
auch die Materialentwicklung werden damit
erheblich erleichtert.
Elektrische Antriebe I Forschungsprojekt
Entwicklung eines innovativen Range-Extender-Moduls
Gemeinsam mit den innovativen Unternehmen
ENGIRO GmbH, AixControl
Gesellschaft für leistungselektronische Systemlösungen mbH und ISAR
Getriebetechnik KG entwickelt das ISEA im Rahmen
eines Verbundprojekts
ein integriertes hochdrehendes Range-ExtenderModul auf Basis eines Wankelmotors und einer
Geschalteten Reluktanzmaschine. Das Projekt
trägt den Namen HiREX – Hochintegriertes
Hochdrehzahl-Range-Extender-Modul – und
wird vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie (BMWi) gefördert. Mitte Januar
kamen am ISEA alle Verbundpartner und der
Projektträger zum offiziellen Kickoff in Aachen
zusammen.
Mit dem zu entwickelnden innovativen Modul
sollen sowohl eine Erhöhung der Betriebsdrehzahl als auch eine konsequente Integration aller
Teilkomponenten erreicht werden. Letztlich
geht es darum, die Leistungsdichte des Gesamtsystems zu erhöhen. Entwicklungstechnische
Kernfrage ist dabei, ob und wie trotz erhöhtem
Fertigungsaufwand und mechanischer Verluste
ein kosten- und bauraumtechnisch konkurrenz-
fähiges Range-ExtenderModul entwickelt werden
kann. Der verfolgte
Ansatz eröffnet dabei die
Möglichkeit, durch technologische Innovation
die Unabhängigkeit deutscher Unternehmen von
Seltenen-Erden-Metallen
zu erreichen.
Mit einem Range-Extender ausgestattete
Elektrofahrzeuge bieten neben einer erhöhten
Reichweite die Möglichkeit, lokal emissionsfrei zu fahren. Besonders im Nah- und Verteilverkehr in Innenstädten wird dies aufgrund
strenger werdender Emissionsschutzvorgaben immer wichtiger. Als Zielanwendungen
spielen daher neben dem PKW-Markt auch
Lieferwagen und Busse eine bedeutende
Rolle.
Für die Entwicklung jeder der einzelnen Teilkomponenten konnte jeweils ein Partner
aus der Industrie gewonnen werden. Ziel ist
es, durch die arbeitsteilige, interdisziplinäre
Zusammenarbeit der beteiligten Unternehmen
mit den Ingenieurwissenschaftlern des ISEA
ein optimal abgestimmtes Gesamtsystem zu
entwickeln.
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April 2015, Nr. 1/2015
Kurz & knapp II
Konferenz Kraftwerk Batterie in Aachen
Am 28. und 29. April trifft sich in Aachen
die internationale Batteriewelt auf der
Konferenz Kraftwerk Batterie. In über 60
Vorträgen und auf rund 130 Postern werden
aktuelle Ergebnisse aus Forschung und
Industrie präsentiert. Am ersten Tag findet
zudem eine gemeinsame Session mit der
i-WING Konferenz (Bestandteil des Rahmenprogramms zur Förderung von Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft)
des BMBF in Dresden statt. Hochkarätige
Plenarredner werden sowohl in Dresden
als auch in Aachen vortragen und wechselseitig per Video zugeschaltet sein. Weitere
Infos unter www.battery-power.eu.
***
ISEA-Standort an der Hüttenstraße wächst
Das ISEA wächst. Vor wenigen Wochen ist
die gesamte Abteilung „Batteriesystemtechnik und Fahrzeugintegration“ in einen
Gebäudekomplex in der Nähe des Prüfzentrums und des Interims-Standort des „NRW
Zentrallabor für Batteriepackdesign“ umgezogen. In die neuen hellen Räume an der
Hüttenstraße wird nun auch die BatterieManagement-System-Entwicklung mit HiLPrüfstand und Elektronik-Labor einziehen.
Besucher sind herzlich willkommen.
***
ISEA-Kolloquium mit Dr.-Ing. Jürgen Reinert
Im Rahmen der Vortragsreihe „ISEA-Kolloquium“ referieren Gäste aus Wissenschaft
und Industrie
über technische
Themen aus den
Forschungsbereichen des ISEA.
In der Januar-Veranstaltung ging Dr.-Ing.
Jürgen Reinert (Vorstand SMA) auf die aktuelle Lage der Solarindustrie ein und zeigte
zukünftige Entwicklungen im Bereich der
solaren Energieversorgung auf. Bei einem
anschließenden Imbiss wurden weitere
Fragen diskutiert.
Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
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Speichersysteme I Forschungsprojekte
Ladestrategien für gewerbliche Fahrzeugflotten
Für den Einsatz von Elektrofahrzeugen in
gewerblichen Fahrzeugflotten muss es eine
Ladeinfrastruktur geben, die den Anforderungen
der installierten Leistung und der Betriebssicherheit gerecht wird. Zudem sind optimierte Ladealgorithmen für eine möglichst lange Batterielebensdauer und damit für die Wirtschaftlichkeit
der eingesetzten Fahrzeuge unverzichtbar.
April 2015, Nr. 1/2015
Kurz & knapp III
Baubeginn am Elektromobilitätslabor eLab
Die Bauarbeiten des Elektromobilitätslabors (eLab) auf dem Campus-Gelände der
Pflegedienst, in einer Werksflotte und im kommunalen gewerblichen Car-Sharing. Eine genaue
Analyse der Alterung der Batteriepacks erfolgt
nach Beendigung von Phase 2.
© LP 12 Architekten
Erfahrungen aus dem realen Einsatz von Fahrzeugen und Untersuchungen zur Technologie der
Batteriepacks stehen in diesem Projekt genauso
im Fokus wie die Optimierung von Einsatz- und
Ladestrategien und somit die Verbesserung der
Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen.
Die Institute ISEA und PGS sind seit zwei Jahren
unter der Leitung von Professor Sauer mit der
wissenschaftlichen Begleitforschung in zwei
Projekten beauftragt. Im vom BMWi geförderten
Der Einsatz von Elektrofahrzeugen im ZustellProjekt „GO ELK – Gewerblich Operierende ELekbetrieb der Deutschen Post wird von ISEA und
tro-Kleinflotten“ werden die Fahr- und Ladedaten
PGS im vom BMU geförderten Projekt „CO2-Freie
von insgesamt 20 Elektrofahrzeugen in einer
Zustellung Bonn“ wissenschaftlich begleitet. Für
ersten Projektphase
den Zustellbetrieb
analysiert. Auf Basis
wird eine Simuder
Ergebnisse
lation der Reichwerden in einer
weite von Elektrozweiten Phase optifahrzeugen unter
mierte LadestraBerücksichtigung
tegien entwickelt
verschiedener
und umgesetzt.
Einflussfaktoren
Zusätzlich werden
auf die Batterie,
Batteriezellen im
z. B. AlterungszuISEA-Testzentrum
stand, Zuladung,
kalendarisch und
Außentemperatur
zyklisch gealtert.
und Fahrstil, entwiAnschließend kann
ckelt. Untersucht
der Einfluss optiwerden darüber
mierter Ladestratehinaus der Einfluss
gien auf die Battevon großen Fahrriealterung anhand
zeugzahlen auf
realer Betriebsdie Auslegung der
daten untersucht
Ladeinfrastruktur
und mit den Laborsowie geeignete
Einige der Untersuchungen werden an geöffneten
ergebnissen vergliLadestrategien.
Batteriepacks durchgeführt
chen werden.
Über die Verlängerung der Lebensdauer
hinaus
soll
hier
auch
untersucht
werden,
Der Einfluss unterschiedlicher Ladestrategien wird
wie unerwünschte Auswirkungen auf das Stromanhand regelmäßiger Messungen des Alterungsnetz durch eine intelligente Steuerung der Ladezustands an den Fahrzeugen ermittelt. Zwanzig
vorgänge verringert werden können. Die ImpleSerienfahrzeuge verschiedener Hersteller wurden
mentierung dieser Steuerung kann abhängig von
hierzu beschafft. Im täglichen Einsatz sind die
der technischen Umsetzbarkeit fahrzeug- und
Fahrzeuge in den Schaufensterregionen Bayern,
infrastrukturseitig erfolgen.
Berlin und Niedersachsen bei einem ambulanten
5
RWTH haben begonnen (Investitionsvolumen inklusive der Einrichtungen: ca. acht
Millionen Euro). Das Elektromobilitätslabor
wird Prototypen von elektrischen Komponenten, z. B. im Bereich Batteriezellenproduktion, Batteriesystemtechnik, Leistungselektronik, Steuerung und Elektromotor
entwickeln und fertigen. Synergetischer
Bestandteil des eLab ist das NRW-Zentrallabor für Batteriesystemtechnik (Prof.
Sauer, 3,25 Millionen Euro Fördervolumen)
mit seinem Fokus auf Batteriesystemtechnik sowie Entwicklung und Bau von
Batteriepacks.
***
Besuch bei Aurubis
Mit einer Gruppe von acht Personen hat das
ISEA die Aurubis AG, einen KupferhalbzeugHersteller in Stolberg, besucht. Besonders
die verschiedenen Legierungen für Elektronikkomponenten und auch Folien als
Vorprodukte für die Batterieproduktion
waren dabei von Interesse für die ISEAner.
Neben der Vorstellung des Konzerns als
größtem Produzenten von Walzprodukten
war die Größe des Werkes, der Umfang der
Produktion und der Energieverbrauch für
die Besucher besonders beeindruckend. Im
Verlauf des Rundgangs ergaben sich zahlreiche Fragen an die Kupferspezialisten.
***
ABB-Preis für Dr.-Ing. Wladislaw Waag
Anlässlich des Tages
der Elektrotechnik und
Informationstechnik
2014 der Fakultät 6 an
der RWTH Aachen wurde
Dr.-Ing. Wladislaw Waag
für seine hervorragende
Dissertation auf dem Gebiet der Energietechnik mit dem ABB-Preis ausgezeichnet.
Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
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April 2015, Nr. 1/2015
Elektrische Antriebe I Prüfinfastruktur
Vielseitig dank hoher Leistungsbandbreite und variabler Drehzahlen
In der Forschungsgruppe Elektrische Antriebe
decken verschiedene Funktionsprüfstände
zur Erprobung und Vermessung elektrischer
Maschinen und Umrichter einen Leistungsbereich von 1,5 kW bis 120 kW sowie Drehzahlen
bis 25 000 Umdrehungen pro Minute ab.
Untersuchungen mit Drehzahlen bis zu 12 500
min-1 und einem maximalen Drehmoment von
600 Nm durchgeführt werden. Darüber hinaus
können auf einem Hochdrehzahlprüfstand
Maschinen mit Leistungen von momentan bis
zu 90 kW (bis max. 120 kW ausbaubar) und einer
Maximaldrehzahl von 25 000 Umdrehungen pro
Minute getestet werden.
Zwei 20-kW-Prüfstände sind so ausgelegt,
dass auf ihnen elektrische Maschinen mit bis
Zur Evaluierung von Regelalgorithmen und zur
zu 12 000 min-1 und 50 Nm Drehmoment eingeMaschinenmodellierung werden zusätzlich
hend getestet werden können. Ein Doppelkleinere Prüfachsprüfstand
Die Prüfstands-Infrastruktur der ISEA-Forschungsgruppe
stände mit 1,5
mit ebenerElektrische Antriebe bietet ausgezeichnete MöglichkW und 6 000
digem Prüfkeiten zur
min-1 genutzt.
bett und zwei
•Inbetriebnahme elektrischer Maschinen und Umrichter
60-kW-LastmaEin Charak•Schwingungsanalyse und akustischen Vermessung
schinen kann
teristikprüf•Wirkungsgradmessung
mit einer maxistand steht
•Erprobung von Regelungen und Algorithmen
malen Drehebenfalls zur
zahl von 6 000
min-1 betrieben werden. Dieser Prüfstand, der
sich mittels Getriebe und einer Untersetzung
von 4:1 für Direktantriebe mit einem Nennmoment von bis zu 1 200 Nm je Lastmaschine
umrüsten lässt, erlaubt unter anderem direkte
Tests an elektrischen Antrieben, die im Fahrzeug verbaut sind (ggf. unter Einbeziehung
des mechanischem Differenzials).
Zur umfangreichen Prüfstands-Ausstattung des
ISEA-Forschungsbereichs Elektrische Antriebe
gehört auch ein 120-kW-Prüfstand, an dem
Verfügung.
Hier können zur exakten Bestimmung charakteristischer Maschinengrößen hochpräzise
Messungen von Strom, Rotorwinkel, Drehmoment und Temperatur vorgenommen werden.
Jedem Prüfstand ist ein DC-DC-Wandler mit
variabler Ausgangsspannung zur Speisung
der Prüflingsumrichter zugeordnet. Mit Hilfe
ISEA-eigener Antriebsumrichter können bis zu
6-phasige Maschinen getestet und vermessen
werden. Frei programmierbare DSP- und FPGAbasierte Regelungsplattformen der Unternehmen AixControl
und dSpace bieten die
Möglichkeit, eigene
Regelungen und Algorithmen schnell zu
entwickeln und zu
prüfen.
Lastmaschine und
Getriebe des Hochdrehzahlprüfstands
6
Zur Kühlung der Maschinen können neben
einer zentralen Hauskühlung auch mobile
Konditioniereinheiten eingesetzt werden. Mit
deren Hilfe werden die zu untersuchenden
Maschinen gezielt temperiert, um reale Einsatzbedingungen möglichst exakt nachzustellen.
Zur Antriebsvermessung und -überwachung
kommen Präzisionsdigitaloszilloskope, Strommesszangen, Leistungsmessgeräte, Logicanalyzer, Drehmoment- und Drehzahlmesswellen, Schwingungs- und Akustikmessgeräte,
Rotortelemetrie und Wärmebildkameras zum
Einsatz. Die mittels Datenlogger automatisch
aufgezeichneten Messdaten werden mithilfe
von eigens zu diesem Zweck am ISEA entwickelter Software ausgewertet. Eine schnelle
und umfassende Bewertung der Messergebnisse ist damit gewährleistet.
Herausgeber:
ISEA I Institut für Stromrichtertechnik und
Elektrische Antriebe, RWTH Aachen
Lehrstuhl Stromrichtertechnik und
Elektrische Antriebe
Prof. Dr. ir. Dr. h. c. Rik W. De Doncker
Lehrstuhl Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik
Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer
Redaktion & Kontakt:
Dr. Ute Müller/Dr. Rolf Sweekhorst
ISEA I Institut für Stromrichtertechnik und
Elektrische Antriebe
RWTH Aachen
Jägerstraße 17 - 19
52066 Aachen
Tel. : +49 241 80 99597
Fax: +49 241 80 92203
Mail:[email protected]
Url: www.isea.rwth-aachen.de
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Veranstaltungen/Termine
22. - 23. April 2015
Bad Boll
Elektrik/Elektronik in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und elektrisches Energiemanagement (EEHE),
www.eehe.de/de/home.html
27. April 2015
Aachen, Eurogress
NRW-Batterietag
28. - 29. April 2015
Kraftwerk Batterie
www.battery-power.eu
2. Juni 2015
Frankfurt
Experten-Workshop PV-Nutzen
www.pv-nutzen.rwth-aachen.de; Anmeldung: [email protected]
22. - 25. Juni 2015
Aachen, Quellenhof
PEDG2015 • The 6th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation
Systems, www.pedg2015.org
22. - 23. September 2015
Aachen, ISEA
Energiespeicher für Bordnetze, Hybridfahrzeuge und Antriebssysteme,
Anforderungen, Technologien, Praxiserfahrungen (in deutscher Sprache; mit Laborführung und
Besichtigung des Batterieprüfzentrum des ISEA), www.hdt-essen.de
Dissertation
Tilman Sanders:
Spatially Resolved Electrical
In-Situ Measurement
Techniques for Fuel Cells
Tilman Sanders hat am 17.7.2014 die Promotionsprüfung zu seiner Dissertation „Spatially
Resolved Electrical In-Situ Measurement Techniques for Fuel Cells“ erfolgreich abgeschlossen.
In seiner Arbeit stellt Tilman Sanders verschiedene Messverfahren für die ortsaufgelöste
Vermessung von Brennstoffzellen vor.
Dr. Tilman Sanders
arbeitet beim
Dortmunder
Pumpenhersteller
Wilo SE.
Von 2007 bis 2012
war er als
wissenschaftlicher
Mitarbeiter am
ISEA tätig.
Dazu gehören Methoden für die Temperaturmessung in Nieder- und Hochtemperatur-Brennstoffzellen sowie für Messungen von Differenzdruck und ortsaufgelöster Stromverteilung.
Mit letzterer ist auch eine elektrochemische
Impedanz-Spektroskopie an einzelnen Zellsegmenten möglich.
7
Die experimentellen Untersuchungen wurden
darüber hinaus durch Neutronen- und Synchrotron-Radiographie ergänzt. So konnten die
Auswirkungen der Wasserverteilung auf die
Betriebsbedingungen und lokale und globale
Leistungsgrößen ermittelt werden. Weitergehend wurde in dieser Arbeit ein ebenfalls ortsaufgelöstes Simulationsmodell einer DirektMethanol-Brennstoffstelle (DMFC) auf-gestellt,
das eine Nachstellung beobachteter Effekte
ermöglicht. Ein besonderes interessantes beobachtetes Phänomen ist das sogenannte „bifunktionale Regime“, bei dem sich ein Teil der DMFC
im normalen Brennstoffzellen-Betrieb befindet,
ein anderer jedoch im Elektrolyse-Betriebszustand. Dadurch ergibt sich ein Kreisstrom,
welcher bei Betrachtung der Gesamtzelle nicht
zu beobachten ist, der aber einen entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Lebensdauer ausübt.
Die Dissertationsschrift ist im Shaker-Verlag
als Band 73 der Aachener Beiträge des ISEA
erschienen und unter der ISBN 978-3-8440-3121-8
erhältlich.
Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
ISEA News
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Antriebe
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Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
April 2015, Nr. 1/2015
Auswahl aktueller Publikationen
M. Bösing
A. Hofmann
R. W. De Doncker
Universal Acoustic Modeling Framework for Electrical Drives
7th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2014), Manchester, UK, 2014
Diese Veröffentlichung stellt ein universelles Framework zur effizienten und qualitativ hochwertigen akustischen Modellierung beliebiger Maschinentypen vor. Ausgehend von generischen Eingangsparameter und einer automatisierten OfflineFEM-Simulation, die nur einmal für ein gegebenes Motordesign durchgeführt werden muss, generiert das Framework ein
elektromagnetisches Maschinenmodell, Kraftmodell und Übertragungsfunktionen für verschiedene Schwingungsmoden. Die
generierten Modelle und Übertragungsfunktionen werden dann in einer zweiten, sehr schnellen Simulation zur detaillierten
Analyse des Einflusses verschiedener Regelungsverfahrungen und Modulationsstrategien auf das akustische Verhalten der
Maschine verwendet.
Auf Initiative der Konferenzveranstalter wird eine weiterentwickelte Version des Artikels im „IET Journal of Power Electronics“
erscheinen.
C. Fleischer
W. Waag
Z. Bai
D. U. Sauer
On-line Self-Learning Time Forward Voltage Prognosis for Lithium-Ion Batteries Using Adaptive Neuro-fuzzy Inference
System
Journal of Power Sources 243 (2013), 728-749
Dieser Beitrag beschreibt einen neuen Ansatz für die Leistungsschätzung in Batteriesystemen in Bezug auf deren niedrigste/
höchste Zellenspannung unter Verwendung eines adaptiven Neuro-Fuzzy-Inferenz-Systems (ANFIS). Es kombiniert die Stärken
der Fuzzy-Logik, nämlich die Fähigkeit der Modellierung des menschlichen Wissens und der Neuronalen Netze, mit der Fähigkeit
des Lernens in einem Framework aus einem lernfähigen System, das sich an den Alterungsprozess eines Batteriepacks anpasst.
Um eine Überanpassung, Netzwerkfehler oder falsches Lernverhalten zu vermeiden, wurde ein neuartiges Gitterfilter implementiert. Das ANFIS prognostiziert zuverlässig die niedrigste/höchste Klemmenspannung im Batteriepack für die nahe Zukunft.
E. Gerovasili
J. F. May
D. U. Sauer
Experimental Evaluation of the Performance of the Sodium Metal Chloride Battery Below Usual Operating Temperatures
Journal of Power Sources 251 (2014), 137-144
NaNiCl2-(ZEBRA)-Batterien arbeiten typischerweise bei einer Temperatur von etwa 300 °C. In dieser Untersuchung wurden
Leistungsfähigkeit und Wirkungsgrad bei verschiedenen Strom- und Zyklenbelastungen bei einer Betriebstemperatur von
nur 240 °C vermessen. Zu den Untersuchungen gehört auch die Frage der Ladezeiten bei unterschiedlichen Temperaturen.
Ziel ist es, die Steigerung des Wirkungsgrads durch geringere Wärmeverluste den Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit
gegenüberzustellen.
S. Koschik
F. Bauer
R. W. De Doncker
Offline Extraction of Induction Machine Parameters for Control Strategy Synthesis
International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA), 3898-3904, Hiroshima, Japan, 2014
Im Rahmen dieser Publikation wurde ein Algorithmus entwickelt, der aus Leistungs-und Drehmomentmessungen über Drehmoment- und Schlupfkurven die Parameter einer Asynchronmaschine berechnet. Basierend auf einer Sensitivitätsanalyse
adaptiert der Algorithmus die Ersatzschaltbildparameter der Asynchronmaschine, um diese mit den gemessenen Größen
Drehmoment, Statorspannung und Phasenwinkel abzugleichen. Das verwendete Ersatzschaltbild erfasst die Einflüsse von
Eisensättigung, Eisenverlusten und Stromverdrängung im Rotor. Der Algorithmus wurde mit experimentell ermittelten Daten
verifiziert.
C. Loef
R. W. De Doncker
(RWTH)
B. Ackermann
(Philips Research,
Eindhoven)
On High Frequency High Voltage Generators With Planar Transformers
29th Applied Power Electronics Conference, Fort Worth, Texas, USA, 2015
Zur Erzeugung hoher Gleichspannungen werden Transformatoren eingesetzt, die einen gegebenen Spannungswert in einen
höheren Spannungswert umsetzen. Um eine kompakte Bauweise zu erzielen, wird eine hohe Betriebsfrequenz angestrebt.
Hierdurch können Standard-Ferritmaterialien als Kernmaterial zum Einsatz kommen. Bedingt durch die hohen Betriebsfrequenzen treten in den Wicklungen Skin- und Proximity-Verluste auf. Durch die Anwendung einer FEM-Analyse der Wick-
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Leistungselektronik
Speichersysteme
Elektrische Antriebe
ISEA News
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische
Antriebe
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Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
April 2015, Nr. 1/2015
lungsausführung konnte eine Reduktion der Wicklungsverluste erzielt werden. Durch die Anwendung einer verschachtelten
Schweibenwicklungsanordnung konnten die Proximity-Verluste deutlich reduziert werden. Eine Validierung erfolgte an einem
Transformator mit einer Übertragungsleistung von 50 kW bei einer erzielten Leistungsdichte des Transformators von 40 kW/
Liter.
G. Merei
S. Adler
D. Magnor
M. Leuthold
D. U. Sauer
Multi-physics Model for a Vanadium Redox Flow Battery
Energy Procedia 46 (2014), 194-203
Energiespeichersysteme spielen eine wichtige Rolle zum Ausgleich der Fluktuationen aus den erneuerbaren Energien. Die
Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRB) ist eine vielversprechende und attraktive Speichertechnologie aufgrund ihrer langen
Lebensdauer und der Möglichkeit der unabhängigen Skalierung der Nennleistung und Nennenergie. Diese Veröffentlichung
stellt ein VRB-Batteriemodell für die Berechnung der elektrochemischen Reaktionen, Pumpenverluste und Temperaturschwankungen innerhalb der VRB und Alterungsvorhersage vor. Das Modell ist einsatzbar für unterschiedliche VRB-Systeme mit
unterschiedlichen Leistungen und Kapazitäten und für verschiedene Vanadium- und Schwefelsäurekonzentrationen. Die
Modellierungsergebnisse wurden diskutiert und stimmen mit den aktuellen Forschungserkenntnissen überein.
M. Neubert
S. Koschik
R. W. De Doncker
Performance Comparison of Inverter and Drive Configurations With Open-End and Star-Connected Windings
International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA), 3145-3152, Hiroshima, Japan, 2014
Im Rahmen dieser Publikation werden auf einer B6C- und einer H-Brücken-Topologie basierende Umrichterkonfigurationen in
Verbindung mit entsprechenden Maschinenkonfigurationen simulativ verglichen. Dabei stehen die Effizienz, die THD (Total
Harmonic Distortion) und die Drehmomentwelligkeit im Fokus. Die Untersuchungen zeigen, dass mit einer H-Brücken-Konfiguration zwar die tendenziell höchste Effizienz erreicht werden kann, allerdings auch sehr hohe Kreisströme auftreten. Um
dieses Problem zu adressieren, werden verschiedene gleichspannungsfreie Modulationsverfahren evaluiert.
M. Reichert
D. Andre
A. Rösmann
P. Janssen
H. G. Bremes
D. U. Sauer et.al.
Influence of Relaxation Time on the Lifetime of Commercial Lithium-Ion Cells
Journal of Power Sources 239 (2013), 45-53
Der Einfluss von Ruhephasen auf experimentell beobachtbare Kapazitätsverbesserungen (Relaxation) wurde an kommerziellen NMC/LCO- und LFP-Zellen untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass nicht die Summe vieler Ruhephasen, sondern die Länge
der längsten Ruhephase entscheidend für die Relaxation der Kapazität ist. Die Relaxationseffekte sind allerdings insgesamt
sehr klein und bewegen sich im Promillebereich.
M. Rosekeit
P. Joebges
M. Lelie
D. U. Sauer
R. W. De Doncker
Undersampling Control of a Bidirectional Cascaded Buck+Boost Dc-Dc Converter
International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 – ECCE-ASIA), 2729-2736, Hiroshima, Japan, 2014
In dieser Veröffentlichung wird eine Deadbeatstromregelung für einen bidirektionalen kaskadierten Hoch-Tiefsetzsteller mit
einer Schaltfrequenz von 100 kHz und einer Regelfrequenz von 10 kHz vorgestellt. Der Spulenstrom wird durch ein Modell
vorhergesagt, um die Verschiebung zwischen PWM-Update und Abtastzeitpunkt zu kompensieren. Auswirkungen von Messrauschen und quantisierter PWM werden diskutiert. Die Batterie wird vor ungewollten negativen Strömen durch ein Schaltverfahren mit diskontinuierlichem Spulenstrom geschützt.
J. Schmalstieg
S. Käbitz
M. Ecker
D. U. Sauer
A Holistic Aging Model for Li(NiMnCo)O2 Based 18650 Lithium-Ion Batteries
Journal of Power Sources, 257 (2014), 325 - 334
Dieser Beitrag zeigt die Parametrierung eines umfassenden Alterungsmodells aus beschleunigten Alterungstests inklusive
einer Verifikation aus realistischen Fahrprofilen. Mehr als 60 Zellen wurden getestet, um die Einflussfaktoren der kalendarischen und zyklischen Alterung zu untersuchen. Aus der gemessenen Alterung wurden physikalisch basierte Funktionen abgeleitet, um eine mathematische Beschreibung zu erhalten. Zur Berechnung der Alterungsfaktoren wurde das Alterungsmodell
mit einem impedanzbasierten elektrisch-thermischen Modell gekoppelt. Mit diesem Tool können verschiedenste Fahrprofile
und Batterie-Management-Strategien simuliert und optimiert werden.
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ISEA News
Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische
Antriebe
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Nachrichten aus dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe
April 2015, Nr. 1/2015
C. H. van der Broeck
S. A. Richter
J. von Bloh
R. W. De Doncker
Discrete Time Modeling, Implementation and Design of Current Controllers
IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE 2014), Pittsburgh, Pennsylvania, USA, 2014
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verfahren zur zeitdiskreten Modellierung, Implementierung und optimalen Auslegung von
Stromregelern für dreiphasige Netzumrichter entwickelt und untersucht. Dazu wurde ein zeitdiskretes Modell aufgebaut,
das sowohl die Charakteristika des PWM-Umrichters als auch den Einfluss der Netzspannung korrekt abbildet. Mithilfe des
Modells wurde die Leistungsfähigkeit eines PI-Reglers im rotierenden Koordinatensystem, der ins ruhende Koordinatensystem
transformiert wurde, und eines PR-Reglers untersucht und verglichen. Aufbauend auf diesen klassischen Regelstrukturen
wurde ein Regelungskonzept vorgestellt, das auf Raumzeigerresonatoren basiert und mehrere Resonatoren auf unterschiedlichen Frequenzen beinhaltet. Dieses Verfahren ist effizient zu implementieren und ermöglicht eine strukturierte und konsistente Regelauslegung. Dazu wurde das Wurzelortskurvenverfahren für Raumzeiger verallgemeinert, um verschiedene Kreuzkopplungen der Zustandsgrößen bei der Regelungsauslegung zu berücksichtigen. Abschließend wurden Simulationen und
Experimente durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des Regelungskonzepts zu zeigen.
C. H. van der Broeck
S. A. Richter
J. von Bloh
R. W. De Doncker
Unified Control of a Buck Converter for Wide Load Range Applications
29th Applied Power Electronics Conference, Fort Worth, Texas, USA, 2015
In dieser Arbeit wurde ein zeitdiskretes Regelungsverfahren für Tiefsetzsteller entwickelt, das es erlaubt, die Ausgangsspannung des Wandlers hochdynamisch und lastunabhängig im kontinuierlichen Betrieb, im Lückbetrieb und im Übergangsbereich
zu betreiben. Mit dem entwickelten Regelverfahren kann der Tiefsetzsteller für Anwendungen mit einem großen Ausgangsspannungs- und Strombereich bei starken Lastschwankungen eingesetzt werden. Zum Entwurf der Regelungsstruktur wurden
zwei Großsignalmodelle des Tiefsetzstellers entwickelt, welche die Dynamik des Wandlers im kontinuierlichen Betrieb bzw.
im Lückbetrieb akkurat abbilden. Der jeweilige Betriebsbereich des Wandlers wird zu jedem Abtastzeitpunkt detektiert. Zur
Regelung der Ausgangsspannung wird ein PI-Regler verwendet, der im kontinuierlichen Betrieb die Ausgangsspannung über
eine kaskadierte Stromregelung regelt und im Lückbetrieb über einer Entkopplung der Nichtlinearität des Wandlers die Ausregelung der Spannung sicherstellt. Zur Validierung des Regelungskonzepts wurden verschiedene Simulation und Experimente
an einer nichtlinearen Last durchgeführt.
W. Waag
C. Fleischer
D. U. Sauer
On-line Estimation of Lithium-Ion Battery Impedance Parameters Using a Novel Varied-Parameters Approach
Journal of Power Sources 237 (2013), 260-269
In dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren für die Online-Schätzung der Impedanzparameter eines Batterieersatzschaltmodells (ECM) vorgestellt. Die Grundidee ist, dass die Änderung der Batteriespannung unter Last unter Verwendung eines
ECM mit unterschiedlichen Parametersätzen während einer kurzen Zeitperiode vorhergesagt wird. Hierzu wurde eine intelligente Strategie für den Aufbau von Parametersätzen implementiert, die eine schnelle, effiziente Konvergenz und genaue
Parameterschätzung erlaubt. Das Verfahren berücksichtigt einen optimierten Rechenzeitgewinn und ist daher für einen
Einsatz im Automobil-Mikrocontroller prädestiniert.
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