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Vehículos Híbridos

Jesús Casanova Kindelán Catedrático de Motores Térmicos

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Universidad Politécnica de Madrid

1

Contenido • Introducción Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

• Condicionantes de los sistemas de propulsión • La propulsión híbrida como solución • La tecnología de los vehículos híbridos • Oportunidades de futuro • Conclusiones

Conclusiones

Vehículos Híbridos

2

Premisas Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

• La movilidad seguirá siendo una necesidad para el desarrollo de los pueblos • El futuro del automóvil está condicionado por su desarrollo sostenible • Las fuentes de energía convencionales tienen un final previsible

Vehículos Híbridos

3

Cuatro ideas iniciales Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

• Híbrido: que combina al menos dos sistemas de propulsión • Propulsión o planta de potencia híbrida es un sistema alternativo para mover los automóviles • Utiliza cualquier combustible

Oportunidades de futuro Conclusiones

• Tienen su origen en los sistemas de propulsión de barcos o locomotores (diesel – eléctrico) ⇒ desaclopamiento motor térmico ↔ transmisión

Vehículos Híbridos

4

Historia de los vehículos de propulsión híbrida Auto Mixte (1906) Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Pieper (1899)

La propulsión híbrida como solución

Entz (1897)

La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

Vendovelli (1898) Woods (1917)

Conclusiones

Jenatzy (1901)

Vehículos Híbridos

5

Problemas de los sistemas de propulsión convencionales

Introducción

•

aceleración y deceleración.

Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

•

Buen rendimiento y bajas emisiones solo en ciertas zonas de trabajo.

•

Dificultades de adaptación del sistema de transmisión de potencia motor – rueda a todas las condiciones posibles

Oportunidades de futuro Conclusiones

Condiciones continuamente cambiantes: transitorios

•

Motor dimensionado para máxima potencia, utilización normal en baja potencia.

Vehículos Híbridos

6

Estrategias para el futuro • Reducir el impacto ambiental: Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

– Reducir emisiones en tráfico urbano. Nuevos conceptos de vehículos de bajas emisiones – Reducir consumo de carburante para bajar las emisiones de CO2 y dependencia de combustibles fósiles.

La tecnología de los vehículos híbridos

– Diversificar fuentes de energía

Oportunidades de futuro

– Reducir ruido

Conclusiones

• Mejorar la conductibilidad del vehículo: suavidad en arranque y parada • Reducir peso y tamaño de los vehículos Vehículos Híbridos

7

Qué quiere el usuario Introducción

Una adecuada combinación de:

Conductibilidad

Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

Eficiencia

Medio Ambiente

La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Seguridad

Vehículos Híbridos

8

Estrategias de reducción de impacto ambiental Diesel

Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

Impacto ambiental

Introducción

Postratamiento escape Reformulación carburante

Gasolina

Hibridación

Conclusiones

Pila comb. H2

1,0

2,0 Rendimiento relativo Vehículos Híbridos

3,0 9

La propulsión híbrida como solución •

térmico) y normalmente un sistema de acumulación de energía

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

•

Optimización de la gestión de los flujos de energía en el vehículo

•

Su éxito dependerá del grado de

La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Propulsión con una combinación de motores (motor eléctrico y/o

•

–

Exigencias medioambientales requeridas

–

Modificación del panorama de abastecimiento energético mundial

–

Esfuerzos de investigación realizados ⇒ reducir coste

Pero es imprescindible contar con un grado de penetración amplio en los mercados que garantice la viabilidad económica de estos sistemas.

Vehículos Híbridos

10

La propulsión no convencional Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

•

Propulsión eléctrica pura. Acumuladores de energía eléctrica

•

Propulsión híbrida: – Térmica + eléctrica – Térmica + acumulador de energía

La tecnología de los vehículos híbridos

• Sistemas mecánicos: inercias rotativas, acumuladores hidráulicos o neumáticos

Oportunidades de futuro

• Sistemas eléctricos: baterías, supercondensadores

Conclusiones

– Pilas de combustible con acumulación de energía. – Cualquier combinación de las anteriores

La propulsión híbrida es básicamente una optimización de la gestión de la energía (térmica, eléctrica y mecánica) en el vehículo Vehículos Híbridos

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Ahorro energético con la propulsión híbrida Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

•

Motor térmico de menor tamaño (cilindrada)

•

Potencia máxima y aceleración contribuye el motor eléctrico

•

Optimización del punto de funcionamiento del motor térmico

•

Motor térmico se para cuando vehículo se detiene

•

Recuperación de energía en las frenadas

La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Algunos problemas: –

Calefacción y refrigeración con motor parado

–

Motor térmico arranca y para repetidamente

–

Peso y coste

Vehículos Híbridos

12

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Potencia

Optimización de la gestión de energía Periodos con ayuda de motor eléctrico (baterías)

Potencia media en el recorrido

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Periodos con recuperación de energía a baterías Vehículos Híbridos

Tiempo

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Híbridos configuración en paralelo Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Características básicas •

transmisión •

El motor térmico puede hacerse más pequeño porque el motor eléctrico ayuda para aumentar la potencia de tracción

•

El motor térmico arranca y para cuando sea necesario

Oportunidades de futuro Conclusiones

El motor térmico y el eléctrico están siempre conectados a la

Vehículos Híbridos

14

Híbridos configuración en paralelo MT

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

MT: Motor Térmico

MT

R

M/GE

R: Reductor

R

B

Transmisión por correa

B

B: Batería Eje Simple: Adición de Par de tracción

D: Diferencial

Eje Doble: Adición de Par de tracción MT

Oportunidades de futuro Conclusiones

D

D M/GE

M/GE: Motor Generador

R

R

D

R

MT

M/GE

D

B

Planetarios

B

D

M/GE

Eje Doble: Adición de Potencia de Tracción

Vehículos Híbridos

Eje Doble: Adición de revoluciones

15

Po te nc ia

Híbridos configuración en paralelo Introducción

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Objetivo: optimizar la gestión de la energía de motor a rueda

Plena carga Motor Térmico

Par motor

Condicionantes de los sistemas de propulsión

Incrementa consumo

Oportunidades de futuro Conclusiones

Baja rendimiento

Plena carga Motor Eléctrico

Régimen (r/min) Vehículos Híbridos

16

Híbridos configuración en serie Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Características básicas • El motor térmico carga las baterías mediante un generador • El motor térmico no propulsa directamente el vehículo • La frenada regenerativa se utiliza para ayudar en la recarga de las baterías

Vehículos Híbridos

17

Configuración en serie Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

MT: Motor Térmico

ME: Motor eléctrico B: Batería

R: Reductor

D: Diferencial

G: Generador

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

MT

G

PC

ME

Oportunidades de futuro

ME

D

D

Conclusiones B

B

Con Motor Térmico y Generador.

Vehículos Híbridos

Con Pila de Combustible 18

Configuración en serie Objetivo:

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

mantener el motor térmico en su zona de óptimo rendimiento

Par motor

Condicionantes de los sistemas de propulsión

PO TE NC IA

Introducción

Plena carga Motor Térmico

Oportunidades de futuro Conclusiones

Régimen (r/min) Vehículos Híbridos

19

Tendencias de diseño diferentes • Vehículos ligeros Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

– Turismos de uso urbano (en Japón y EE.UU) – Grandes turismos (en Europa) – Todo terreno (en EE.UU. (SUV)) – Microbuses (Japón)

• Vehículos pesados – Autobuses urbanos – Pequeños camiones de reparto urbano (Japón)

Vehículos Híbridos

20

Algunos vehículos híbridos Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Vehículos Híbridos

21

Vehículos híbridos ligeros •

Algunos vehículos híbridos en venta o previstos

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Marca y modelo

Tipo

Consumo (l/100km)

Disponibilidad

Honda Insight

Turismo medio

3,1

2004

Honda Civic

Turismo pequeño

3,4

2003

Toyota Prius

Turismo pequeño

3,2

2002

Ford Escape

Todoterreno

7,8

2005

GM Saturn

Turismo medio

N.D.

2005

GMC Sierra PHT

Pick up

N.D.

2007

Lexus RX Hybrid SUV

Todoterreno

N.D.

N.D.

Mercedes S Class

Turismo grande

N.D.

2006

Nissan Tino H

Turismo medio

5,0

2002

Toyota Estima H

Turismo medio

5,6

2002

Vehículos Híbridos

22

Comparación de consumo sistema híbrido - convencional l/100km

G. Gasolina D: Diesel H: Híbrido

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

1

(VW)

2

HD-ES3 (Toyota)

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

D-1 L

HG-Insight

HG-WFV Exp.

D Lupo

Rendimientos medios del orden del 37 40 % frente a 16 – 20 % en motores convencionales

EU 3 L car

(Honda)

3 4 5

US PNVG

120 g/CO2/km (EU)

(VW)

HG-Prius (Toyota) HG-Civic (Honda)

140 g/CO2/km (EU)

HG-Estima (Toyota)

500

1000

1500

2000

Peso del vehículo kg Vehículos Híbridos

23

El Toyota Prius Combina cuatro elementos: Introducción

• Motor térmico de gasolina (1,5 l, 68 kW)

Condicionantes de los sistemas de propulsión

• Motor eléctrico

La propulsión híbrida como solución

• Baterías de Ni-Mh. (201,6 V)

• Generador eléctrico

La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

Configuración MIXTA:

Conclusiones

El dispositivo que acopla las tres máquinas permite que la potencia del motor térmico vaya en parte a las ruedas y en parte al generador Vehículos Híbridos

24

Sistema de transmisión de Toyota Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Vehículos Híbridos

25

Funcionamiento sistema mixto Caja de engranajes planetarios

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

Motor

Repartidor de potencia

Generador

Baterías de tracción

Conclusiones

Motor eléctrico Vehículos Híbridos

26

Funcionamiento sistema mixto • Arranque: motor eléctrico enciende a motor térmico y le ayuda Introducción

• Alta potencia: motor eléctrico ayuda a motor térmico

Condicionantes de los sistemas de propulsión

Motor

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Repartidor de potencia

Generador Baterías de tracción

Oportunidades de futuro Conclusiones

Motor eléctrico Vehículos Híbridos

27

Funcionamiento sistema mixto Media potencia: motor térmico propulsa y recarga baterías Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Motor

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Repartidor de potencia

Generador Baterías de tracción

Oportunidades de futuro Conclusiones

Motor eléctrico

Vehículos Híbridos

28

Funcionamiento sistema mixto Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Frenada: las ruedas arrastran el generador que recarga las baterías. Motor térmico puede pararse si se llega a detener el vehículo Motor

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Repartidor de potencia

Generador Baterías de tracción

Oportunidades de futuro Conclusiones

Motor eléctrico Vehículos Híbridos

29

Funcionamiento sistema mixto • Funcionamiento como motor térmico puro Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Motor

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Repartidor de potencia

Generador Baterías de tracción

Oportunidades de futuro Conclusiones

Motor eléctrico

Vehículos Híbridos

30

Funcionamiento sistema mixto Funcionamiento como motor eléctrico puro Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Motor

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos

Repartidor de potencia

Generador Baterías de tracción

Oportunidades de futuro Conclusiones

Motor eléctrico

Vehículos Híbridos

31

Vehículos híbridos pesados Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

Vehículo MAN Motor diesel: 162 kW Motor eléctrico asíncrono: 2 x 100 kW Generador: 150 kW

Sistema de almacenamiento por ultracondensadores Vehículo Allison (GM)

Conclusiones

Vehículos

Reducción de emisiones respecto a versión diesel • PM: 90% • HC: 90% • NOx: 50% • CO: 90% Ciclo CBD-14 Híbridos

32

Autobuses urbanos híbridos • Comportamiento en régimen muy variable de carga

La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

Ciclo lento

Ciclo rápido

velocidad

70

60

velocidad

100 50

90

80

40

70

30

60 km / h

Condicionantes de los sistemas de propulsión

• Fuertes aceleraciones y deceleraciones ⇒ Significativa recuperación de energía en frenadas

km / h

Introducción

20

Conclusiones

50 40

10

30 0 0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

3000

3300

3600

3900

4200

4500

20

segundos

10 0

Ejemplo de datos de velocidad tomados en dos líneas de autobuses de Madrid

Vehículos Híbridos

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

2400

2700

segundos

33

Autobuses urbanos híbridos • Ejemplo de reducciones de consumo obtenidas Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

Peso total: Autobús urbano 11995 kg Configuración: serie y estrategia on-off 2 Motores eléctricos asíncronos con relación de transmisión fija 7.2 100 módulos baterías Pb – ácido de C/3 54 Ah y 19 kg por módulo MEC de 206 g/kWh de consumo mínimo

La tecnología de los vehículos híbridos

Consumo de combustible (l/100km) Autobús convencional

Autobús híbrido

Ciclo de conducción lento

70,65

36,24

Ciclo de conducción rápido

37,74

35,57

Oportunidades de futuro Conclusiones

Escasa ventaja en velocidades altas y constantes Vehículos Híbridos

34

Tecnología de baterías Introducción

Unidades

Medio Plazo

Largo Plazo

Wh/kg

80-100

150-200

Densidad de energía

Wh/litro

130

300

Densidad de potencia

W/litro

250

600

La tecnología de los vehículos híbridos

Ciclos de carga y descarga

Ciclos

600

1000

Vida

Años

5

>10

Oportunidades de futuro

Tiempos de recarga

Horas

150

>100

Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

Característica Energía específica

Temperatura de funcionamiento Coste (10.000 unidades/año)

Vehículos Híbridos

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Tecnologías de baterías Pb - Gel

Ni - Cd

Ni - MeH

Li - ión

Elevada densidad de energía

Elevada densidad de energía

Tensión y densidad de energía elevadas

Larga vida útil

Larga vida útil

Fiable

Posible carga/descarga eficiente

La propulsión híbrida como solución

Mucha experiencia acumulada

Amplia banda de temperaturas

Es posible una descarga rápida

Efecto memoria despreciable

Autodescarga baja

La tecnología de los vehículos híbridos

Efecto memoria despreciable

Capacidad estable después de descarga prolongada

Oportunidades de futuro

Baja densidad de energía

Conclusiones

Vida útil corta

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Barata Distribución de potencia uniforme

Necesidad de añadir agua

Autodescarga baja

Tolera sobrecarga y sobredescarga Relativamente cara

Cara

Cara

Efecto memoria

Mala aceptación de carga a altas temperaturas

Mejoras en la seguridad

Necesario un sistema de reciclaje

Autodescarga a altas temperaturas

Poco robusta frente a sobrecargas Débil a bajas temperaturas Materiales empleados escasos y caros

Vehículos Híbridos

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El motor eléctrico (I) Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión

Motor de inducción

Motor DC Estructura del motor

La propulsión híbrida como solución

La escobilla genera chispas y necesitan mantenimiento Necesidad de un polo conmutador Serie: control de velocidad sencillo

La tecnología de los vehículos híbridos

Paralelo: gran par de arranque. Decrece a medida que aumenta la velocidad del motor

Oportunidades de futuro Conclusiones

Simple y robusto El campo rotativo del estator genera una corriente eléctrica en el conductor del rotor para obtener par El funcionamiento a velocidad constante es sencillo

Motor Síncrono de imanes permanentes

Motor de Reluctancia conmutada

Diseño compacto y ligero

El rotor y el estator tienen un número de polos distinto

Muy eficiente Hacen falta imanes permanentes También denominado motor DC brushless o motor PM

El bobinado del estator está concentrado Trabaja como un motor de inducción al arrancar y después como un motor síncrono Fácil de refrigerar

Eficiencia

Regular

Regular

Muy buena

Buena

Coste

Más caro que los motores de inducción

Barato

Necesita imanes caros de metales raros para que sea ligero

Barato (sin metales raros)

Vehículos Híbridos

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El motor eléctrico (II) Motor DC

Motor de inducción

Motor Síncrono de imanes permanentes

Motor de Reluctancia conmutada

DC

AC (necesita un inversor)

AC (necesita un inversor)

AC (necesita un inversor)

Es fácil usar tensiones elevadas

Es fácil usar tensiones elevadas

Es fácil usar tensiones elevadas

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

Fuente de potencia

Es difícil emplear tensiones elevadas a causa del conmutador

Funcionamiento a altas velocidades

Fácil

Más difícil que los motores de inducción (a causa del imán)

Fácil

La tecnología de los vehículos híbridos

El conmutador dificulta las velocidades grandes

Tamaño compacto

Difícil

Difícil

Fácil

Fácil

Oportunidades de futuro

Potencias elevadas

Difícil

Fácil

Un poco difícil

Un poco difícil

Conclusiones

Controlador

Circuito de control simple

Circuito de control complicado

Circuito de control complicado

Circuito de control complicado

Muchos elementos de potencia. Caro y voluminoso

Muchos elementos de potencia. Caro y voluminoso

Pocos componentes. Diseño barato y compacto

Muchos elementos de potencia. Caro y voluminoso

Vehículos Híbridos

Driver de corriente DC pulsada

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Oportunidades de futuro (1/2) Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

• Pueden considerarse un primera paso hacia los sistemas basados en pila de combustible con H2 – Eficiencia energética global de 32 % frente a 49% previsto en pila de combustible con H2

• Utilizarían parte de la tecnología – En ambos sistemas las baterías almacenan e. eléctrica – Motores eléctricos de tracción - Generadores – Convertidores CC/CA alta tensión. – Algoritmos de gestión y control de energía similares – Todos los sistemas auxiliares del vehículo: climatización, seguridad, ayudas a la conducción Vehículos Híbridos

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Oportunidades de futuro (2/2) •

Desarrollo de motores térmicos de menor consumo, menores emisiones, más silenciosos y de menor peso.

•

Desarrollo de motores eléctricos de mayor rendimiento y potencia específica.

•

Optimización y reducción de coste y peso de los sistemas de acumulación de energía eléctrica

•

Diseño de algoritmos de control y gestión de energía más sofisticados y auto-adaptativos.

•

Sistemas de diagnosis y sensores avanzados

•

Sistemas auxiliares del vehículo adaptados al tipo de planta de potencia híbrida.

Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

Vehículos Híbridos

40

Tendencias en propulsión de vehículos ligeros Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución

Gasolina MPI convencional

100%

Gasolina combinación de I. D. y menores cilindradas

80%

Gasolina I. D. 60%

Ajuste completamente variable de las válvulas Cilindradas pequeñas con turbo Híbridos, incluido pilas de combustible

La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro

40%

Gas Natural Comprimido

Conclusiones

20%

Diesel I.D. Diesel I.I.D.

0%

2000

2005

2010

2015

AÑO Vehículos Híbridos

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Conclusiones • Introducción Condicionantes de los sistemas de propulsión La propulsión híbrida como solución La tecnología de los vehículos híbridos Oportunidades de futuro Conclusiones

•

Ventajas: –

Bajo consumo ⇒ menor emisión de CO2

–

Menor impacto ambiental: emisiones contaminantes y ruido

Desventajas: –

Coste

–

Prestaciones

•

Más apropiado a tráfico urbano: taxis, autobuses

•

Importante desarrollo previsto en próximos años

•

Oportunidades de I+D+it. –

•

Reto más importante: sistema de acumulación de energía

Subvenciones: –

En España Castilla y León (Orden EYE/1698/2003)

• 30 % extracoste con límite 4.800 € –

En EE.UU. Casi todos los estados ofrecen beneficios:

• Menores impuestos, aparcamiento, zonas reservadas, etc. Vehículos Híbridos

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