許守平，侯朝勇，胡娟，汪奐伶

(中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

大規(guī)模儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)

許守平，侯朝勇，胡娟，汪奐伶

(中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

鋰離子電池因其性能優(yōu)異在高電壓大容量的儲能系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但鋰離子電池單體容量過大，充放電過程中易產(chǎn)生高溫，誘發(fā)不安全因素，必須采用鋰離子電池管理系統(tǒng)來維護(hù)電池安全運行，并延長電池循環(huán)壽命。根據(jù)鋰離子電池在儲能系統(tǒng)中的特性，提出了一種新型的分層管理的儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)，詳細(xì)論述了每層的結(jié)構(gòu)和功能，并著重介紹了整個鋰離子電池管理系統(tǒng)的主要功能，特別是單體電池數(shù)據(jù)采集功能、電池狀態(tài)估計功能和均衡管理功能，并對各自的實驗策略進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果驗證了該種管理系統(tǒng)能滿足現(xiàn)實儲能系統(tǒng)的需要，實現(xiàn)了鋰離子電池的高精度狀態(tài)估計和高效均衡功能。

儲能系統(tǒng)；電池管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；狀態(tài)估計；均衡管理

0 引 言

隨著風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，通過對電力進(jìn)行存儲和傳輸來實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化，將是能源體系的優(yōu)化趨勢。目前，電力存儲的主要介質(zhì)是電化學(xué)電池，儲能系統(tǒng)對電池性能的要求是大容量、長壽命、快速響應(yīng)和可涓流充電，而鋰離子電池由于具有較高的能量密度比和功率密度比、良好的充放電效率和靈活的成組方式，可滿足目前電力系統(tǒng)中的大規(guī)模儲能要求，已成為大容量儲能研究的重點。近年來，國內(nèi)外已建設(shè)了許多大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)示范工程和電站[1]。

然而，鋰離子電池由于本身的固有特性，具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，其在長期充放電過程中易受各單體電池間充電接受能力、自放電率和容量衰減速率等的影響，造成電池之間的離散性加大，性能衰減加劇，進(jìn)而有可能會產(chǎn)生威脅安全的嚴(yán)重后果[2]。因此，必須設(shè)計電池管理系統(tǒng)來對鋰離子電池進(jìn)行有效管理，以保證電池的安全和可控運行。

目前，國外的電池管理系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實際應(yīng)用階段，技術(shù)也比較成熟，文獻(xiàn)[2-3]對此進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，但大都集中在電動汽車的動力電池應(yīng)用上。國內(nèi)的電池管理技術(shù)還正處于起步階段，研究還不夠成熟，性能不夠理想，主要表現(xiàn)為功能簡單、穩(wěn)定性差、控制靈敏度不高，漏報警和誤報警現(xiàn)象時有發(fā)生[4-5]。但由于先期的市場需求已經(jīng)打開，國內(nèi)對電池管理系統(tǒng)研究也越來越重視，也誕生了一些電池監(jiān)控和管理的研究成果，如文獻(xiàn)[6-8]主要是在跟蹤國外電池管理算法，而且大都集中在某一個特性上，對于整個儲能系統(tǒng)的電池管理研究幾乎還都處在探索階段。

為了更加適合儲能系統(tǒng)本身使用環(huán)境的需要，本文提出了一種進(jìn)行分層管理的鋰離子電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為3層結(jié)構(gòu)，每層都有自身的結(jié)構(gòu)特點和獨有功能，通過相互配合來完成對整個儲能系統(tǒng)中的鋰離子電池的管理和控制，并實現(xiàn)單體電池的高精度采集、高精度的電池狀態(tài)估計和高效均衡功能。

1 儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儲能用鋰離子電池所需電池數(shù)量巨大，通常由成千上萬節(jié)單體電池通過串、并聯(lián)形式組成電池系統(tǒng)來滿足多種功能，儲能系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

儲能用鋰離子電池的應(yīng)用場合不如電動汽車惡劣，根據(jù)儲能的需要大都是淺充、淺放，但出于體積、安全和有利于維護(hù)的考慮，電池組一般也是分成幾個串、并聯(lián)的模塊。將單體電池經(jīng)過串、并聯(lián)組成電池箱，每個電池箱配有1個電池監(jiān)控單元(battery management unit，BMU)，幾個BMU組成1個子電池系統(tǒng)管理單元(slave battery management unit，SBMU)，根據(jù)儲能容量的需要，再由適當(dāng)數(shù)量的SBMU組成1個主電池系統(tǒng)管理單元(master battery management unit，MBMU)，并配備就地監(jiān)控系統(tǒng)、高壓檢測和絕緣監(jiān)測模塊等其他所需的模塊，這些模塊共同構(gòu)成電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)。BMS的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

BMU的主要功能是對電池箱的電壓和溫度進(jìn)行檢測，經(jīng)過處理后將其傳輸給SBMU，并對電池箱內(nèi)的電池進(jìn)行均衡管理；同時，BMU還要根據(jù)電池箱內(nèi)的溫度，對本箱電池進(jìn)行熱管理，當(dāng)電池溫度超過最優(yōu)工作溫度區(qū)間或電池溫差大時，開啟風(fēng)機(jī)，對電池箱內(nèi)的電池進(jìn)行冷卻，直到電池工作溫度和溫差恢復(fù)到設(shè)計范圍，控制風(fēng)機(jī)停止。

SBMU的功能是接收BMU傳來的數(shù)據(jù)信息，并檢測這些電池箱組成的電池子系統(tǒng)的總電流、總電壓和絕緣度，根據(jù)采集的電池數(shù)據(jù)估計電池組的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)、健康狀況(state of health，SOH)等，并對電池組的充放電進(jìn)行保護(hù)；同時判斷電池組的故障狀態(tài)，實時上報給就地監(jiān)控系統(tǒng)，完成與就地監(jiān)控系統(tǒng)的通信。圖3、4分別是BMU和SBMU的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 儲能系統(tǒng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 BMU的結(jié)構(gòu)

根據(jù)儲能需要，要若干個SBMU組成1個MBMU來對整個儲能電池系統(tǒng)的電池進(jìn)行管理，其中電壓和絕緣檢測模塊是對整個電池儲能子系統(tǒng)的總電壓、絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對整個電池子系統(tǒng)的電池狀態(tài)進(jìn)行匯總和處理，得到該子系統(tǒng)的SOC、故障類型及等級、最大允許充放電電流等狀態(tài)，并直接面向雙向變流器和監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，進(jìn)行通訊、管理和控制。為了提高系統(tǒng)可靠性和及時性，MBMU和雙向變流器之間除了CAN總線以外，還可增加保護(hù)干接點，在CAN總線保護(hù)失效的基礎(chǔ)上，可通過輸出接點信號至雙向變流器，致使變流器停機(jī)，實現(xiàn)變流器與電池之間的物理斷開。

圖4 SBMU的結(jié)構(gòu)

考慮到MBMU傳送到變流器的數(shù)據(jù)主要用于控制，實時性強(qiáng)，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅限于控制數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)最高單體電池電壓、系統(tǒng)最低單體電池電壓、系統(tǒng)最高溫度、系統(tǒng)SOC、系統(tǒng)最大允許充電電流、系統(tǒng)最大允許放電電流、系統(tǒng)故障代碼等；而為了實現(xiàn)電池運行過程狀態(tài)的全方位監(jiān)控和記錄，MBMU傳送到監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更為詳盡，包括所有單體電池電壓、溫度、各箱電池工作電流、各箱電池SOC、各箱電池最高單體電池電壓及位置、各箱電池最低單體電池電壓及位置、各箱電池最高溫度及位置、各箱電池最低溫度及位置、各箱電池故障代碼、各箱電池最大允許充放電電流、各箱電池工作模式(在線模式或者離線模式)等詳細(xì)數(shù)據(jù)。BMS的通訊主要分為內(nèi)部通訊和外部通訊。外部通訊指BMS與上層監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的通訊，通過104 TCP/IP 協(xié)議來完成。內(nèi)部通訊指BMS中各個模塊之間的通訊，選用了可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的CAN總線形式。

由于儲能系統(tǒng)中所用的鋰離子電池的外部特性(如電壓、電流)在系統(tǒng)運行過程中根據(jù)需求會發(fā)生很大的變化，BMS的軟件設(shè)計也必須滿足實時性和多任務(wù)調(diào)度的要求[9]。依據(jù)儲能系統(tǒng)的需求，BMS的軟件設(shè)計任務(wù)有：啟動任務(wù)、總電壓采集任務(wù)、總電流采集任務(wù)、溫度采集任務(wù)、絕緣檢測任務(wù)、SOC估計任務(wù)、變流器數(shù)據(jù)接收任務(wù)、變流器充放電控制任務(wù)、監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)、數(shù)據(jù)分析任務(wù)、通訊任務(wù)、多級報警任務(wù)和空閑任務(wù)等。

2 鋰離子電池管理系統(tǒng)的主要功能

儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)包含有多個功能模塊，一般有數(shù)據(jù)檢測功能、統(tǒng)計存儲功能、運行參數(shù)設(shè)定功能、充/放電管理功能、通信功能、報警功能、電池系統(tǒng)保護(hù)、電池系統(tǒng)容量標(biāo)定及SOC估計功能、熱管理功能、電池均衡管理功能、高壓管理功能、絕緣檢測功能等[3]。其中，單體電池數(shù)據(jù)檢測、電池狀態(tài)估計功能和均衡管理功能是目前電池管理系統(tǒng)研究的熱點，本文主要討論該管理系統(tǒng)這3個功能的實現(xiàn)策略。

2.1 單體電池數(shù)據(jù)檢測功能

由于儲能用鋰離子電池系統(tǒng)通常是由上千(萬)個單體電池串并聯(lián)組成，所以，每個單體電池的工作狀態(tài)，不僅反映電池組性能，而且影響電池組的容量及剩余能量，進(jìn)而影響整個儲能系統(tǒng)的效率。在儲能系統(tǒng)運行過程中，如不及時對單體電池進(jìn)行檢測，找出老化電池給予調(diào)整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，必將影響整個電池儲能系統(tǒng)的高效安全運行。

單體電池數(shù)據(jù)主要包括電壓和溫度，由BMS中的BMU來進(jìn)行檢測，BMS的其他功能(包括SOC估計、剩余能量的計算等)都是建立對單體電池工作狀態(tài)進(jìn)行精確檢測的基礎(chǔ)之上的。在這2個參數(shù)中，溫度是BMS對電池的熱管理和安全保護(hù)功能的依據(jù)，當(dāng)電池溫度超過最優(yōu)工作溫度區(qū)間或電池溫差大的時候，開啟風(fēng)機(jī)，對本箱電池進(jìn)行熱管理，直到電池工作溫度和溫差恢復(fù)到設(shè)計范圍。單體電池的電壓是電池的優(yōu)劣狀況的最好體現(xiàn)，也是初步估計電池的SOC的重要參考依據(jù)。單體電池過充過放的依據(jù)即是電池的端電壓。

目前，單體電池電壓檢測的難點主要有：(1)儲能系統(tǒng)中的電池系統(tǒng)是由很多個單體電池串、并聯(lián)組成的，因此需要很多通道來完成單體電池的電壓檢測。當(dāng)進(jìn)行電壓測量時會產(chǎn)生累積電動勢，同時每個單體電池的累積電動勢都不相同，并且沒有一個統(tǒng)一的辦法來消除這種累積電動勢，這就給電池檢測電路的設(shè)計帶來一定的困難。(2)單體電池的測量精度要求很高，這是因為SOC的估計和其他電池狀態(tài)的估計都要求單體電池的電壓測量有很高的測量精度。

本文所論述的單體電池數(shù)據(jù)檢測方案采用了比較成熟的凌特公司電池監(jiān)測芯片LTC6804，該芯片最多可測12個串聯(lián)鋰離子電池的電壓，可堆疊式架構(gòu)實現(xiàn)高電壓電池組的監(jiān)測，每個電池輸入均具有1個相關(guān)聯(lián)的Mosfet開關(guān)，用于對任何過充電池進(jìn)行放電(100 mA)。每個LTC6804U具有1個可單獨尋址的串行接口，因為允許把多個LTC6804聯(lián)接到1個控制處理器上實現(xiàn)同時運作。圖5利用LTC6804進(jìn)行單體電池數(shù)據(jù)檢測的原理電路圖。利用這種監(jiān)測芯片，在實際的檢測實驗中，可以滿足儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)的檢測精度，電壓為2 mV，溫度為0.5 ℃。

2.2 SOC估計功能

在過去的研究中，學(xué)者們提出了許多種經(jīng)典的估計剩余電量或SOC的方法，每種方法都有各自的適用范圍，文獻(xiàn)[10-11]專門對這些方法進(jìn)行了分析比較。文獻(xiàn)[12-14]雖然提出了幾種新的SOC估計算法，但這些實時在線估算都存在著一定的缺陷，不能完全達(dá)到實際使用的要求。目前國內(nèi)實際應(yīng)用的實時在線估算SOC的方法仍然采用以電流計分為主，加上不同的修正的方式[15]。

本文總結(jié)了現(xiàn)有的SOC估算方法的優(yōu)缺點，將安時積分法與電壓修正法相結(jié)合，形成改進(jìn)的安時積分法，依靠高精度的模擬量采集和大容量歷史數(shù)據(jù)存儲等功能，同時考慮溫度、充放電效率、自放電、SOH等對電池容量的影響，參考當(dāng)前開路電壓和歷史負(fù)載電壓曲線，結(jié)合外特性試驗建立的數(shù)值模型設(shè)定SOC估算策略，對鋰離子電池的SOC進(jìn)行估算。

圖5 單體電池數(shù)據(jù)檢測的原理電路圖

安時積分法也叫電荷累積法，將電池看作1個黑箱，而不考慮電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和外部的電氣特性，認(rèn)為流進(jìn)電池的電量與流出電池的電量相等[10-11]。

假設(shè)電池的充放電起始狀態(tài)為CSOC0，那么電池當(dāng)前狀態(tài)為

(1)

式中：CN為為額定容量；I為電池電流；η為充放電效率，不是常數(shù)。

在實際計算中，還要同時考慮溫度、放電倍率和電池壽命等因素對SOC的影響，然后用電壓對這種方法進(jìn)行修正。

采用這種方法，對儲能中的某“3并16串”的磷酸鐵鋰電池箱進(jìn)行了電池SOC估算技術(shù)的實驗檢測，下面是按照恒流充電測試和脈沖充放電測試得到的測試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析。圖6是在以恒流100 A連續(xù)充電方式下的SOC計算值曲線。

在充電開始前，以固定100 A放電電流對電池箱放電到截止條件后靜置30 min，啟動系統(tǒng)得到此時的CSOC計算值為3.2%。以恒定100 A的電流對電池組充電，整個充電過程持續(xù)3 h 28 min 39 s，充放電設(shè)備輸出總安時數(shù)為348.5 A·h。表1為充放電設(shè)備輸出不同安時數(shù)時所對應(yīng)的CSOC估算值。

圖6 100 A連續(xù)充電下的SOC計算值

在充電完畢后，靜置電池組16 h后，測量電池組總電壓為53.44 V，平均單節(jié)電池電壓3.34 V，通過查表可以得出此時的CSOC為95%。因此在1個充電循環(huán)結(jié)束后CSOC的計算誤差2.2%。圖7是以0.3 C進(jìn)行分段充電的CSOC曲線。

由圖7可知：在這個充電過程中，CSOC為電池管理系統(tǒng)的計算值，每次充電結(jié)束的依據(jù)是充放電設(shè)備輸出的安時數(shù)達(dá)到36 A·h，由于第1次充電時CSOC0=4.6%，因此第1次充電時輸出的安時數(shù)為19.44 A·h，最后1次由于達(dá)到充電截止條件，因此充放電設(shè)備輸出的安時數(shù)為30.71 A·h。本次測試中CSOC計算值與安時數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表1 充放電設(shè)備輸出不同安時數(shù)時所對應(yīng)的SOC估算值

圖7 0.3C分段充電電流測試曲線

表2 CSOC計算值和安時數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

從表2可看出：當(dāng)輸入36 A·h的能量時，CSOC的增量平均值為9.35%。適當(dāng)調(diào)整影響損失能量的系統(tǒng)參數(shù)，建立精確的系統(tǒng)模型，就可以得到更加符合實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從而提高系統(tǒng)的計算精度。

通過上面2個實驗的測試結(jié)果可以看出，在連續(xù)充電模式下，CSOC的計算值與實際值的誤差為+2.2%，滿足實際需求的CSOC估算精度指標(biāo)。在分段充電模式下，在每個SOC平臺階段的計算值都低于實際輸入的安時數(shù)，這符合電池的充電特性，即輸入的安時數(shù)一部分以能量形式存儲，小部分以其他形式損耗。由于存在能量損耗，由連續(xù)充電模式下的估算結(jié)果，實際的CSOC值會低于按照安時法計算得出的5%左右，也滿足實際應(yīng)用的需求。

2.3 均衡功能

由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，因此在實際應(yīng)用中，隨著鋰離子電池充放電次數(shù)的增多，加上內(nèi)阻、自放電等因素的影響，各單體鋰電池內(nèi)部特性的不一致，會嚴(yán)重破壞鋰離子電池性能。因此，為了能最大程度地發(fā)揮鋰電池組的性能，延長其使用壽命，必須要對鋰電池在充、放電時進(jìn)行實時監(jiān)控，對電池間的不一致性進(jìn)行均衡處理，削平電池間的差異，使電池保持較好的一致性，達(dá)到延長電池壽命降低成本的目的[17]。

目前，儲能用鋰離子電池均衡管理的方法主要有被動均衡、主動均衡和2種均衡相結(jié)合這3種方式[18]。

被動均衡是通過高值電阻將某些電池單元的過剩電量分流消耗的方式，使高電量電池單元與低電量電池單元電量達(dá)到均衡的方法。這種方法使用的裝置是電池均衡裝置中最簡單、最經(jīng)濟(jì)的，也是目前應(yīng)用最廣的。但其缺點也很明顯，只能做充電均衡，而且，在充電均衡過程中，多余的能量要作為熱量釋放掉，會造成整個系統(tǒng)效率低下，功耗提高。所以為了防止均衡過程中電池過熱，被動均衡的電流一般都很小，目前大約是幾10 mA。主動均衡是在充、放電過程中，不把電壓較高的電池電能通過電阻消耗掉，而是利用一種主動往復(fù)充電的元件，將電量從一個電池單元轉(zhuǎn)到另一個上，從而實現(xiàn)鋰電池組的均衡充放電的方法。這種方法因為是外接電子元件，所以相對均衡電流比較大，目前可做到幾A。但這種方法因為技術(shù)還不成熟，需要設(shè)計專門的電路來實現(xiàn)，因而會增加成本，減低可靠性，所以還需要進(jìn)一步的研究。

本研究采用是一種基于雙向能量轉(zhuǎn)移的均衡架構(gòu)及策略，將主動均衡和被動均衡相結(jié)合，以各個單體電池的工作電壓一致作為均衡目標(biāo)，通過充放電過程中的主動均衡功能和連續(xù)不間斷小電流的被動均衡來達(dá)到均衡目的。這種策略是采用高壓雙向DC/DC電路模塊和公共的內(nèi)部12 V電源總線，并通過SBMU單元集中調(diào)度整個電池組串內(nèi)啟動均衡的通道數(shù)量，可以實現(xiàn)電池模組之間的能量轉(zhuǎn)移以及內(nèi)部12 V電源總線與電池組高壓母線之間的能量轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)整個電池組串內(nèi)部各單體電池之間的均衡和電池模組之間的均衡，對均衡的能量實現(xiàn)了有效的回收利用，避免了由于均衡導(dǎo)致的發(fā)熱問題。這種方法可以使主動均衡的電流達(dá)到2 A，在實際的試驗檢測中，能起到很好的均衡效果，如圖8所示。

圖8 均衡電路和均衡效果

3 結(jié) 論

(1)從實驗結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計的儲能用鋰離子電池管理系統(tǒng)所提出的分層管理的方法符合儲能的應(yīng)用要求，并且電池管理系統(tǒng)的各項功能可以很好地滿足實際電池管理的需求，可以為后續(xù)鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究提供一種全新的研究方向。

(2)結(jié)合本文所述的電池管理系統(tǒng)的研究方法可以推出電池管理系統(tǒng)的一般研究步驟：首先了解鋰離子電池的機(jī)理，然后進(jìn)一步研究電池的內(nèi)特性變化過程，同時通過對電池本體進(jìn)行一系列的性能試驗，找出影響電池特性的主要因素和次要因素，再根據(jù)實驗結(jié)果和經(jīng)驗公式建立電池模型和BMS模型；最后根據(jù)精度的要求和經(jīng)濟(jì)成本的考慮，采用相應(yīng)的控制技術(shù)實現(xiàn)在線或離線的電池管理，來確保電池能夠安全和可靠的運行。

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(編輯：蔣毅恒)

Li-ionBatteryManagementSystemforLarge-ScaleEnergyStorage

XU Shouping, HOU Chaoyong, HU Juan, WANG Huanling

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Li-ion battery has been widely used in high-voltage large-capacity energy storage because of its good performance. However, the capacity of single Li-ion battery is too large to produce high temperature during the charging and discharging process, which may induce unsafe factors, so the Li-ion battery management system must be designed to maintain the safety operation of battery and prolong its cycle life. According to the characteristics of Li-ion battery in energy storage system, this paper proposed a new hierarchical management strategy of Li-ion battery for energy storage system, discussed the structure and function of each layer, and emphatically introduced the main function of Li-ion battery management system, especially the data acquisition function of single cell, the state estimation function and the equilibrium management function. Moreover, their experiment strategies had verified by experiments. The experimental results show that the management system can meet the need of the energy storage system, and realize the state estimation function with high precision and efficient state estimation function for Li-ion battery.

energy storage system; battery management system; data acquisition; state estimation; equilibrium management

“十一五”國家科技支撐計劃重大項目(2011BAA07B07)。

TM 715

： A

： 1000-7229(2014)05-0072-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.012

2014-01-03

：2014-01-20

許守平(1978)，男，碩士，工程師，從事大規(guī)模儲能技術(shù)和可再生能源發(fā)電技術(shù)方面的研究，E-mail：xushouping@epri.sgcc.com.cn；

侯朝勇(1979)，男，博士，工程師，從事大規(guī)模儲能技術(shù)和微網(wǎng)技術(shù)研究；

胡娟(1979)，女，碩士，高級工程師，從事大規(guī)模儲能技術(shù)研究；

汪奐伶(1988)，女，本科，助理工程師，從事大規(guī)模儲能技術(shù)研究。