孫會(huì)琴，薛智宏，郭英軍，李 斌

（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

1 新能源電動(dòng)汽車發(fā)展背景

隨著跨國公司生產(chǎn)能力和核心技術(shù)加速向中國轉(zhuǎn)移，中國汽車企業(yè)實(shí)力也在不斷提高，汽車行業(yè)進(jìn)入快速增長期。2009年以來，中國已成為世界最大的汽車市場，2013年汽車銷量超過2 000萬臺(tái)。目前，中國汽車每千人平均保有量不足100輛，美國、日本超過400輛，澳大利亞、德國超過500輛。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國汽車產(chǎn)業(yè)仍將保持高速增長。隨著汽車保有量的增加，能源消耗也逐年增加，中國對國外石油的依賴性也在不斷上升，2013年中國石油對外依存度更是高達(dá)58.1%［1］。汽車尾氣污染已成為城市大氣污染的主要因素，2012年以來中國大面積長時(shí)間被霧霾籠罩，尤其是河北省幾大城市長期占據(jù)中國污染嚴(yán)重城市前幾名，空氣質(zhì)量問題日益突出。

為了緩解能源問題，解決環(huán)境和空氣污染問題，實(shí)現(xiàn)中國汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，中國提出了加快發(fā)展新能源汽車的指導(dǎo)思想，出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，明確指出了將純電動(dòng)汽車作為中國汽車產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的主要方向。中國政府近幾年出臺(tái)了大量相關(guān)政策，對新能源汽車的發(fā)展給予支持和鼓勵(lì)。2013年，國家出臺(tái)了新能源汽車購置補(bǔ)貼最新政策，給予純電動(dòng)汽車最高補(bǔ)助6萬元、插電式混合動(dòng)力最高補(bǔ)助3.5萬元的中央財(cái)政補(bǔ)貼，同時(shí)各地政府積極制定了相應(yīng)的地方補(bǔ)貼政策，促進(jìn)新能源汽車健康快速增長［2］。

2 新能源電動(dòng)汽車分類及發(fā)展現(xiàn)狀

依據(jù)中國《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則》的規(guī)定，新能源汽車是指采用非常規(guī)燃料作為車用動(dòng)力源，利用車輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的汽車。在新能源汽車中，電動(dòng)汽車技術(shù)比較成熟，具備了產(chǎn)業(yè)化基本條件。新能源電動(dòng)汽車是全部或部分利用電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，根據(jù)車輛動(dòng)力源不同，分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池電動(dòng)汽車3種類型［3］。

2.1 純電動(dòng)汽車

純電動(dòng)汽車是全部由動(dòng)力電池提供動(dòng)力源的汽車。純電動(dòng)汽車由底盤、車身、動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)和電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。由于電機(jī)具有良好的驅(qū)動(dòng)特性，通過控制器經(jīng)調(diào)速系統(tǒng)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)汽車行駛速度，取代了傳統(tǒng)汽車中的離合器、變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單。純電動(dòng)汽車本身沒有尾氣排放，可以有效減少環(huán)境污染，能源轉(zhuǎn)換效率高，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

純電動(dòng)汽車最早出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，但由于電池性能不能滿足需求，發(fā)展比較緩慢。隨著技術(shù)更新，電池性能不斷提升，高性能鋰離子電池研發(fā)與應(yīng)用和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一體化技術(shù)不斷發(fā)展，使純電動(dòng)汽車的續(xù)行里程、動(dòng)力性能、快速充電等方面得到了極大提升，加快了純電動(dòng)汽車的實(shí)用化進(jìn)程。國內(nèi)外純電動(dòng)汽車的發(fā)展方向主要是小型汽車和公交、市政、郵政等公共車輛及特種車輛［4］。

美國通過研發(fā)電池管理技術(shù)開發(fā)的純電動(dòng)汽車特斯拉，2013年僅在美國就銷量1.87萬輛，占據(jù)全球領(lǐng)先地位，其續(xù)行里程高達(dá)502km，電池容量達(dá)85kW·h，充電時(shí)間5h（220 V），最高時(shí)速200 km／h，售后服務(wù)8年不限里程。中國生產(chǎn)的比亞迪E6、榮威E50、北汽E150等電動(dòng)汽車能夠滿足用戶基本需求，技術(shù)基本成熟，通過量產(chǎn)可以滿足市場需求。目前，中國電動(dòng)汽車價(jià)格較高，運(yùn)行性能不具有明顯優(yōu)勢，2013年純電動(dòng)汽車銷量僅為1.46萬輛。低速電動(dòng)汽車具有良好環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性能，符合中國市場的需求，常用的低速電動(dòng)汽車主要有微型電動(dòng)汽車、高爾夫球車、旅游觀光車、高空作業(yè)車、城市清掃車和警用巡邏車等，2013年產(chǎn)能超過35 萬輛，市場需求巨大。

2.2 混合動(dòng)力汽車

混合動(dòng)力汽車按混合度分為普通混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車。普通混合動(dòng)力汽車采用常規(guī)燃料運(yùn)行，增加電池和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，在起步和加速運(yùn)行時(shí)利用電驅(qū)系統(tǒng)提高輸出特性，在停車和減速運(yùn)行時(shí)回收能量給電池充電，降低燃油損耗。汽車電池容量較小，無需外接充電電源。普通混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有一定的節(jié)能效果，但并沒有擺脫對石化資源的依賴。插電式混合動(dòng)力汽車是一種新型的混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，要求動(dòng)力電池容量較大，通過外部電源向電池充電，充電后可作為電動(dòng)汽車行駛，電池耗盡后以普通混合模式行駛，并及時(shí)對電池進(jìn)行充電。插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車更接近純電動(dòng)汽車，有效解決了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)行里程和及時(shí)充電的問題。

中國自主研發(fā)的比亞迪F3DM 是插電式混合動(dòng)力汽車代表性產(chǎn)品，該車可以在純電動(dòng)和混合動(dòng)力2種工作模式之間切換。比亞迪F3DM 續(xù)行里程430km，其中純電動(dòng)模式下續(xù)行里程可達(dá)100 km，混合動(dòng)力模式下續(xù)行里程可達(dá)330km，最高時(shí)速160km／h。由于價(jià)格原因，2013年中國插電式混合動(dòng)力汽車銷量僅為3 038輛。在國家補(bǔ)貼政策的支持下，隨著新能源汽車推廣力度的加大，插電式混合動(dòng)力汽車將以其優(yōu)良的特性引領(lǐng)市場增長。

2.3 燃料電池電動(dòng)汽車

燃料電池電動(dòng)汽車是指以氫氣、甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，以電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的汽車。燃料電池在化學(xué)反應(yīng)過程中不會(huì)產(chǎn)生有害的產(chǎn)物，能量轉(zhuǎn)換效率是內(nèi)燃機(jī)的3～4倍。從能量利用和環(huán)境保護(hù)角度看，燃料電池電動(dòng)汽車是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的最佳替代產(chǎn)品，是汽車的發(fā)展方向［5］。

燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)具有非常重要的戰(zhàn)略意義，世界各國都致力于燃料電池汽車的研究。中國于2012年在同濟(jì)大學(xué)組建了“中國燃料電池汽車技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，通過高校、科研機(jī)構(gòu)和汽車廠家的合作，提高科技自主創(chuàng)新能力，攻克燃料電池電動(dòng)汽車的關(guān)鍵難題。氫氣是燃料電池汽車最理想的燃料，由于其在制備、供應(yīng)、儲(chǔ)存等方面存在許多技術(shù)問題和安全問題，預(yù)計(jì)燃料電池電動(dòng)汽車在一段時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3 新能源電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

新能源電動(dòng)汽車是完全或部分利用電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，其關(guān)鍵技術(shù)主要為電機(jī)及其控制技術(shù)和動(dòng)力電池及其管理技術(shù)。

3.1 電機(jī)及其控制技術(shù)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是新能源電動(dòng)車輛的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)輸出特性直接影響汽車行駛的性能指標(biāo)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部件是電機(jī)和控制器。

目前電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用異步電機(jī)或永磁電機(jī)組成的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用交流電機(jī)異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)3種類型，其中異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動(dòng)汽車（包括轎車及客車），永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車（包括轎車及客車）中，開關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中［6］。電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器與工業(yè)通用變頻器不同，其設(shè)計(jì)必須滿足汽車動(dòng)力總成機(jī)電一體化的要求，滿足汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高全運(yùn)行范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制精度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化和生產(chǎn)規(guī)?；?。

中國國內(nèi)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)涵蓋了5～180kW 功率范圍，部分指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，電機(jī)功率密度可以達(dá)到2.5kW／kg以上，成本降至200元／kW以下。中國在車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器基礎(chǔ)硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)工具等方面均與國外有一定差距，主要依靠進(jìn)口。應(yīng)該抓住電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，利用中國在電機(jī)生產(chǎn)原材料、人力成本等方面的優(yōu)勢，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能，開發(fā)具有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.2 動(dòng)力電池及其管理技術(shù)

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，要求具有良好的功能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具有高能量密度、高功率密度和寬工作溫度范圍，同時(shí)要求運(yùn)行安全性與可靠性高、使用壽命長、環(huán)保性能好、無污染，成本控制在600元／（kW·h）以下。

目前常用的動(dòng)力電池有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池［7］。鉛酸電池生產(chǎn)技術(shù)成熟，安全性能好，價(jià)格低廉，廢舊電池容易回收再利用，既是電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車的首選電源，又是微小型電動(dòng)汽車的主要電源。鎳氫電池性能好于鉛酸電池，但是由于成分中含重金屬，用完遺棄后會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，不應(yīng)將其作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池。鋰離子電池是以鋰離子為材料的一種高能量密度電池，具有零污染、零排放、體積小和循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外動(dòng)力電池發(fā)展和應(yīng)用的趨勢。目前，鋰離子電池正極材料通常采用磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元材料，通過不斷改進(jìn)加工工藝提高產(chǎn)品一致性，使動(dòng)力電池能量密度達(dá)到150（W·h）／kg以上，成本降至2元／（W·h）以下，逐步實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化［8－9］。

為了使電動(dòng)汽車在最高時(shí)速、充電次數(shù)和電池成本之間達(dá)到令人滿意的效果，常用解決方案是采用電池管理系統(tǒng)（BMS）和電池與電容融合技術(shù)。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)電池的保護(hù)和管理功能，具有防止過充電與過放電、避免深度放電等保護(hù)功能，具有良好的熱量管理、高電壓安全管理、汽車CAN 通信和電磁兼容性（EMC）管理等功能［10］。電池與電容融合技術(shù)利用超級電容具有充電快、無記憶充放電、充放電循環(huán)次數(shù)高、無二次污染的特性，配合鋰離子電池儲(chǔ)電量大、儲(chǔ)存時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)，克服超級電容放電快和鋰離子電池充電時(shí)間較長的缺點(diǎn)，可以將電動(dòng)汽車一次充電行駛距離提高至300km、運(yùn)行速度達(dá)到100km／h，明顯提高行使過程中的能量回收效率［11］。電池管理系統(tǒng)和電池與電容融合技術(shù)是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

4 河北省新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

河北省地理位置優(yōu)越，礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)發(fā)展勢頭良好，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)形成規(guī)模，新技術(shù)研發(fā)投資力度大，政府產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策明確，為河北省新能源電動(dòng)汽車發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.1 良好的新能源汽車工業(yè)基礎(chǔ)

河北省汽車產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，擁有國家公告的汽車制造和民用改裝汽車企業(yè)76家，河北長城汽車、河北長安、中興汽車、河北紅星和河北長征5家汽車制造企業(yè)擁有轎車、皮卡、SUV、載貨車、客車生產(chǎn)資質(zhì)，改裝汽車企業(yè)71家，具備發(fā)展新能源汽車的良好條件。河北長城汽車2013年實(shí)現(xiàn)銷量75.4 萬輛，成為中國自主品牌汽車之首。長城汽車積極投入新能源汽車研發(fā)，長城騰翼C20EV 純電動(dòng)車型列入國家《車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》和《國家節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程推薦車型目錄》［12］。河北長安、中興汽車等均已進(jìn)入新能源汽車領(lǐng)域。以河北御捷車業(yè)為首的新型低速電動(dòng)汽車符合市場定位，脫穎而出，2013年生產(chǎn)低速電動(dòng)汽車超過3 萬輛，銷售收入達(dá)到5.8 億元，占中國13%的份額。

4.2 完整的汽車配套產(chǎn)業(yè)體系

除了整車制造，河北省已初步形成了新能源汽車配套產(chǎn)業(yè)體系，產(chǎn)品包括鋰離子電池、電池材料、超高性能隔膜紙、電機(jī)、控制器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，發(fā)展了河北神州巨電、河北鋼中鋰能、唐山金能、保定風(fēng)帆新能源等一批鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)，河北電機(jī)、衡水電機(jī)等新能源汽車配套電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，河北首力防爆電機(jī)、思達(dá)電子等電機(jī)控制配套企業(yè)，邢臺(tái)納科諾爾、朝陽機(jī)械等動(dòng)力電池軋制設(shè)備制造企業(yè)，石家莊通合電子、保定宇能、唐山優(yōu)科利爾擁有充電站和充電樁技術(shù)，河北金力新能源、邢臺(tái)力滔、滄州明珠、河北海偉等擁有鋰離子動(dòng)力電池隔膜和正負(fù)極材料技術(shù)，唐山億威擁有純電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)。

4.3 擁有自主創(chuàng)新能力

河北省在新能源汽車整車、電機(jī)及控制器、大容量鋰離子電池、高效快速車載充電機(jī)等領(lǐng)域擁有一批核心自主知識產(chǎn)權(quán)。目前，電機(jī)最大功率達(dá)到240kW，電池單體最大容量達(dá)到500Ah，充電機(jī)充電效率達(dá)到90%以上，建立了河北省電動(dòng)汽車工程技術(shù)研究中心，電機(jī)及其控制技術(shù)和電池及其管理技術(shù)的研發(fā)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先。

4.4 市場空間較大

目前，河北省與北京、天津共同構(gòu)建京津冀一體化，進(jìn)入京津冀協(xié)同發(fā)展的有利時(shí)機(jī)，既借助了北京、天津的有利資源，同時(shí)擴(kuò)大了消費(fèi)群體，成為中國市場容量較大的地區(qū)之一。隨著河北省大氣污染綜合防治工作的深入，新能源汽車會(huì)得到加快推廣，基礎(chǔ)配套設(shè)施逐漸完善，購買動(dòng)力不斷增加，新能源汽車的市場空間將加速擴(kuò)張。

5 探索河北省新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展規(guī)劃

從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀分析，新能源電動(dòng)汽車不可能在很短的時(shí)間內(nèi)取代傳統(tǒng)燃料汽車。國內(nèi)大型汽車公司和合資汽車公司以傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)為主，對新能源電動(dòng)汽車雖給予高度重視，加大研發(fā)力度，但并沒有著手投入生產(chǎn)，給了河北省新興汽車產(chǎn)業(yè)公司通過發(fā)展電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)快速超越的機(jī)會(huì)和快速發(fā)展的空間。通過分析電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢，結(jié)合河北省汽車產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與特點(diǎn)，制定合理的發(fā)展規(guī)劃，將會(huì)推廣大規(guī)模示范應(yīng)用，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展，最終形成產(chǎn)業(yè)鏈完整、創(chuàng)新能力強(qiáng)、發(fā)展勢頭良好的新能源汽車產(chǎn)業(yè)。

5.1 實(shí)施電動(dòng)汽車多元化發(fā)展模式

確定實(shí)行高速電動(dòng)汽車和低速電動(dòng)汽車的差異化發(fā)展格局，鼓勵(lì)以河北長城為代表的大型汽車制造企業(yè)以純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電驅(qū)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)為主要突破口，重點(diǎn)發(fā)展速度高于120 km／h的純電動(dòng)乘用車和插電式混合動(dòng)力乘用車及其配套系統(tǒng)，培育以河北御捷車業(yè)有限公司為代表的低速電動(dòng)汽車細(xì)分產(chǎn)業(yè)集群，優(yōu)先發(fā)展低速專用電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)集群，提升工藝裝備水平，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

在河北省范圍內(nèi)建立公交、出租車、郵政車等專用車以及公務(wù)和私人用電動(dòng)轎車的分類推廣應(yīng)用模式。對于新能源電動(dòng)汽車采用整車銷售模式、整車裸車銷售、租賃動(dòng)力電池和整車租賃3 種銷售模式［13］，對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)探索由電力公司運(yùn)營或第三方獨(dú)立運(yùn)營等多種模式。以市場調(diào)節(jié)為主，政府合理引導(dǎo)，全面推進(jìn)新能源汽車在生產(chǎn)、銷售和服務(wù)等環(huán)節(jié)的多元化發(fā)展。

5.2 加快電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件的開發(fā)

隨著電動(dòng)汽車的推廣和普及，對電動(dòng)汽車零部件的需求將顯著增加。目前，中國國內(nèi)嚴(yán)重缺乏適應(yīng)汽車電動(dòng)化發(fā)展的零部件研發(fā)和生產(chǎn)能力，這必將成為投資的熱點(diǎn)。應(yīng)以電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為重點(diǎn)，基于各地發(fā)展基礎(chǔ)的不平均，合理規(guī)劃電動(dòng)汽車工業(yè)園區(qū)、動(dòng)力電池工業(yè)園區(qū)、電機(jī)電控工業(yè)園區(qū)等關(guān)鍵零部件生產(chǎn)基地，整合資源，重點(diǎn)扶植起一批動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制系統(tǒng)、充電設(shè)備等關(guān)鍵零部件生產(chǎn)企業(yè)，力爭在技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模上達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，滿足河北省新能源電動(dòng)汽車發(fā)展需要。

5.3 優(yōu)先有序推廣低速電動(dòng)汽車

從可持續(xù)發(fā)展和技術(shù)跨越的角度看，電動(dòng)汽車的發(fā)展應(yīng)該從低速電動(dòng)汽車起步。低速電動(dòng)汽車成本合理，使用經(jīng)濟(jì)便利，符合二、三級市場以及農(nóng)村地區(qū)的用車需求；技術(shù)適用性較好，適應(yīng)當(dāng)前電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件技術(shù)發(fā)展水平；低速電動(dòng)汽車充電設(shè)施投資成本低，建設(shè)時(shí)間短，制約因素少，市場發(fā)展?jié)摿薮蟆榱艘?guī)范市場秩序，應(yīng)參照國外低速電動(dòng)汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，抓緊制定低速電動(dòng)汽車通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和電動(dòng)汽車準(zhǔn)入管理規(guī)則，確保電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)合理有序發(fā)展是河北省發(fā)展新能源汽車的重要環(huán)節(jié)。

／References：

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