特種車輛多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計研究

鄒 波， 譚 坤， 楊 剛， 唐 剛， 楊世春

(1.重慶鐵馬工業(yè)集團軍品研究所，重慶 400050；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083)

特種車輛多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計研究

鄒 波1， 譚 坤1， 楊 剛1， 唐 剛1， 楊世春2

(1.重慶鐵馬工業(yè)集團軍品研究所，重慶 400050；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083)

為建立適用于特種車輛的多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)，以某6×6特種車輛為研究對象，分析了多輪分布式驅(qū)動特種車輛的系統(tǒng)總體構(gòu)成及特點；將整車驅(qū)動系統(tǒng)劃分為驅(qū)動控制、整車控制、駕駛員操縱、能量管理等幾個核心模塊，結(jié)合特種車輛實車特點，分別對各模塊進行了設(shè)計及研究.并重點分析了多輪分布式電驅(qū)動的整車控制方法、整車扭矩協(xié)調(diào)控制策略、驅(qū)動力控制流程、電子差速控制模型及方法等.通過對多輪分布式驅(qū)動系統(tǒng)各個關(guān)鍵功能模塊的建立和分析，完善了特種車輛多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計.

車輛工程；混合動力；分布式驅(qū)動；電驅(qū)動

電傳動車輛成為未來車輛發(fā)展的方向已經(jīng)毋庸置疑.現(xiàn)階段，混合動力汽車技術(shù)作為傳統(tǒng)汽車和電動汽車之間的過渡解決方案成為未來汽車技術(shù)研究的重點.而在特種車輛研究領(lǐng)域，為了充分發(fā)揮特種車輛多輪獨立驅(qū)動的優(yōu)點，一種采用驅(qū)動電機直接或通過減速器間接安裝在車輪上，構(gòu)成電動輪邊分布式電驅(qū)動形式成為新的研究方向.

多輪混合動力分布式電驅(qū)動特種車輛是一種串聯(lián)式混合動力型式.其具有結(jié)構(gòu)簡單、布置靈活，節(jié)約整車空間等諸多優(yōu)點.國外對于多輪分布式驅(qū)動車輛進行了深入的研究，已經(jīng)有多款驗證車輛正在運行.國內(nèi)科研單位也相應(yīng)進行了初步驗證性研究，清華大學(xué)[1]以分布式電動汽車為研究對象，提出一種基于路面附著的電動汽車再生制動與液壓制動防抱協(xié)調(diào)控制策略，北京理工大學(xué)利用控制器快速原型開發(fā)方法與自動代碼生成技術(shù)構(gòu)建了分布式驅(qū)動通信系統(tǒng)的軟件與硬件平臺[2]，同濟大學(xué)建立了分布式驅(qū)動電動汽車輪邊電機傳動系統(tǒng)的仿真模型，并對各工況的動態(tài)特性進行了分析[3].目前國內(nèi)的研究均處于理論模型階段，因此，有必要對分布式驅(qū)動這一先進動力驅(qū)動技術(shù)進行設(shè)計開發(fā)與驗證，為下一代特種車輛的發(fā)展提供參考[4].

文中通過分析多輪分布式電驅(qū)動特種車輛總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，對整車多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)開展設(shè)計研究，對驅(qū)動控制、整車控制、駕駛員操縱、能量管理等幾個核心模塊進行設(shè)計，為后期的控制算法制定及動力學(xué)模型建立構(gòu)建了總體平臺.

1 分布式電驅(qū)動總體系統(tǒng)構(gòu)成

文中所研究的分布式電驅(qū)動總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示.車輛動力系統(tǒng)由多個(這里以6輪為研究對象)電動輪邊總成極其控制器、發(fā)電機組及控制器、整流器、動力電池組及其管理系統(tǒng)和整車控制器組成.

整車各個控制單元和電控部件通過CAN總線進行通信，實現(xiàn)能量管理與動力分配的協(xié)調(diào)控制.多輪分布式電驅(qū)動特種車輛包含眾多的電控單元，各單元之間傳輸大量的狀態(tài)信息和控制指令，整車通訊網(wǎng)絡(luò)利用 CAN 總線技術(shù)將所有的控制單元有機的整合，實現(xiàn)信息共享，從而完成平臺的復(fù)雜智能控制和故障診斷功能.通過制定多輪綜合控制系統(tǒng)CAN通訊協(xié)議，開發(fā)多輪控制系統(tǒng)中電機控制、高壓電系統(tǒng)、電池管理控制接口模塊.

發(fā)動機、發(fā)電機以及整流器構(gòu)成發(fā)電機組，整車驅(qū)動所需能量來自于發(fā)電機組和動力電池組.當發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，整流器將發(fā)電機組發(fā)出的交流電變換成直流電，動力電池組也可相應(yīng)輸出直流電，并聯(lián)后送到直流母線(DC-BUS).直流母線上的電能一部分經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器為車載低壓電氣系統(tǒng)供電，另一部分通過輪轂電機控制器將直流電變換成交流電輸入輪轂電機.發(fā)電機組和動力電池組均可單獨對動力系統(tǒng)供電，當行駛車況要求提高車輛輸出功率則可經(jīng)發(fā)電機組和動力電池組同時供電.

圖1 多輪電驅(qū)動車輛總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 驅(qū)動控制模塊設(shè)計

驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動車輛，是多輪分布式電驅(qū)動車輛的重要分系統(tǒng)之一.它的主要任務(wù)是接收整車控制器的指令，將能源系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化為車輛的動能驅(qū)動車輛，并在車輛制動時把車輛的動能再生為電能反饋到動力電池組中以實現(xiàn)車輛的再生制動.所以，驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)的選擇對于分布式電驅(qū)動車輛的使用性能有很大的影響.通常情況下，驅(qū)動電機除了要有較強的動態(tài)制動和能量回饋特性外，還要具有啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍寬、質(zhì)量小、效率高、體積小等特點.為保證電機具有較寬的調(diào)速范圍，最高轉(zhuǎn)速是基速的2倍以上，電機可以在四象限工作；為保證車輛良好的動力性，要求電機具有良好的轉(zhuǎn)矩過載和功率過載能力，峰值轉(zhuǎn)矩一般為額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上，峰值功率一般為額定功率的1.5倍以上，且峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率的工作時間一般都要求5 min以上.

驅(qū)動控制模塊的程序幾種狀態(tài)模式如下圖2所示.

圖2 驅(qū)動控制程序狀態(tài)模式

Power Up模式：控制器處在上電狀態(tài)，控制器檢測溫度信號、電壓信號是否異常.收到電機使能命令后，可進入Stop模式.

Stop模式：控制器使能IGBT，控制器讀回旋變的偏移位置.控制器等待電機的運轉(zhuǎn)命令，在外部命令下可進入其他模式.

Resolver Calibration模式：控制器標定旋轉(zhuǎn)編碼器的初始位置，將初始位置進行存儲.

Torque Loop模式：控制器進入轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模式.控制器接受外部轉(zhuǎn)矩指令，控制電機在允許范圍內(nèi)輸出對應(yīng)轉(zhuǎn)矩.

Speed Loop模式：控制器進入轉(zhuǎn)速閉環(huán)模式.控制器接受外部轉(zhuǎn)速指令，控制電機在允許范圍內(nèi)輸出對應(yīng)轉(zhuǎn)速.

3 整車控制模塊設(shè)計

在多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)中，傳統(tǒng)車輛中驅(qū)動力分配、轉(zhuǎn)向、差速的一系列功能，均在整車控制器中予以實現(xiàn).為了充分發(fā)揮多輪驅(qū)動車輛動力輸出形式靈活、易于實現(xiàn)最優(yōu)能量分配的優(yōu)勢，多輪電驅(qū)動車輛通過設(shè)計驅(qū)動扭矩協(xié)調(diào)控制、電子差速策略，開發(fā)制動能量回收算法，達到最優(yōu)驅(qū)動力分配控制.在滿足駕駛員對驅(qū)動力需求的前提下，達到整車性能最佳，并通過整車控制算法來豐富和完善車輛主動安全系統(tǒng)的功能.

多輪分布式驅(qū)動整車扭矩協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計主要包括驅(qū)動力控制、橫擺力矩控制、直線行駛控制以及電子差速轉(zhuǎn)向的控制四個方面.多輪扭矩協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計內(nèi)容主要有以下幾個方面.

1)對于多輪分布式電驅(qū)動特種車輛直線行駛而言，在水平良好路面上不需要差速，只需要平均分配各個驅(qū)動輪的驅(qū)動力矩.驅(qū)動車輪線速度相等，通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器測量速度，將信號送入中央處理器.中央處理器比較左右兩輪的轉(zhuǎn)速，并通知電機控制器，平均分配各驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，這樣就保證了左右車輪轉(zhuǎn)速一致，從而進行平穩(wěn)的純滾動.

多輪分布式驅(qū)動系統(tǒng)協(xié)調(diào)整車的驅(qū)動力以實現(xiàn)傳統(tǒng)車輛的驅(qū)動功能并發(fā)揮獨立驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點，提高車輛的性能.整車控制器可以根據(jù)行駛要求及驅(qū)動目標選擇驅(qū)動輪數(shù)，實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)以及全驅(qū)動力系統(tǒng).

表1 驅(qū)動模式劃分

2)多輪驅(qū)動車輛多個動力源之間不存在機械部件間直接的制約，因此在控制策略和控制方法上必須保證兩驅(qū)動輪間的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，多輪驅(qū)動車輛的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制技術(shù)功能具體包括：對單電機的轉(zhuǎn)矩控制、整車輪/軸間的動力的協(xié)調(diào)、多電機的同步協(xié)調(diào)控制，使得車輛在各種行駛條件下的安全行駛.

圖3 多輪分布式驅(qū)動力控制流程

多輪分布式電驅(qū)動車輛的驅(qū)動力分層控制系統(tǒng)總體流程如圖3所示.建立過程中采用了分層模塊化的思路，由上、中、下3層組成，其中上層為驅(qū)動力、橫擺力矩制定層，中層為多目標優(yōu)化驅(qū)動力分配層，下層為滑轉(zhuǎn)率控制層.各層模塊相對獨立，因此整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較完整清晰，便于根據(jù)實際需求對車輛仿真模型和控制算法程序做出相應(yīng)的調(diào)整，也為后期研究內(nèi)容中的控制算法的改進及性能驗證提供了良好的平臺.

3)當車輛轉(zhuǎn)向時，則繞轉(zhuǎn)向中心做圓周運動，前后及左右車輪相對同一轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)過的距離并不相等，欲使車輪實現(xiàn)無滑移的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向，外側(cè)車輪轉(zhuǎn)速必須大于內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)速，前輪轉(zhuǎn)速必須大于后輪轉(zhuǎn)速.整車控制器必須具備電差速轉(zhuǎn)向功能.下圖4所示為整車電差速控制示意圖.

圖4 電差速獨立轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制示意圖

電機位置傳感器將輪轂電機的轉(zhuǎn)速變化量變?yōu)槟M量反饋給控制器，提高差速轉(zhuǎn)向的精度.通過方向盤轉(zhuǎn)角給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一個機械轉(zhuǎn)向角度，位移傳感器則安裝在轉(zhuǎn)向盤底部，把方向盤的轉(zhuǎn)角指令改變?yōu)殡娦盘柲M量輸入給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制器，控制器接受位移傳感器輸入進來的轉(zhuǎn)角信號，控制左右輪轂電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)試驗預(yù)期的差速轉(zhuǎn)向，并且通過接受電機位置傳感器的反饋信號調(diào)整電子差速的轉(zhuǎn)向精度.

目前兩種常用的差速控制方法如下：

1)以整車質(zhì)心速度和方向盤轉(zhuǎn)角為參考，計算每個車輪繞轉(zhuǎn)向中心的線速度，進而得出每個車輪需要的電機轉(zhuǎn)速，通過向電機控制器發(fā)出電壓指令實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而調(diào)整車輪轉(zhuǎn)速，合理的分配每個電機的輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)車輪的純滾動轉(zhuǎn)向行駛.

2)根據(jù)輸入的整車速度和方向盤轉(zhuǎn)角，對驅(qū)動電機進行轉(zhuǎn)矩指令控制并使車輪轉(zhuǎn)速隨動，實現(xiàn)各車輪的自適應(yīng)差速.整車控制系統(tǒng)只是根據(jù)汽車的運動狀態(tài)輸出驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩指令信號，而電動輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速則由電機轉(zhuǎn)矩與電動輪系統(tǒng)的平衡點決定.

由于轉(zhuǎn)速控制方法響應(yīng)時間短，較為直觀方便，因此,文中在設(shè)計整車電差速功能時,優(yōu)先采用了轉(zhuǎn)速控制方法.采用的Aekerman—Jeantand汽車轉(zhuǎn)向模型如下圖5所示[5].

圖5 Aekerman—Jeantand汽車轉(zhuǎn)向模型

模型采用方向盤作為輸入裝置，通過駕駛員輸入模擬電壓大小和方向，反映出相應(yīng)的整車轉(zhuǎn)向角δ，并以當前車速V穩(wěn)定轉(zhuǎn)向為目標，輸出轉(zhuǎn)向輪和非轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)速.轉(zhuǎn)向內(nèi)輪轉(zhuǎn)速稱為V1，轉(zhuǎn)向外輪轉(zhuǎn)速稱為V2，非轉(zhuǎn)向內(nèi)輪轉(zhuǎn)速為V3，非轉(zhuǎn)向外輪轉(zhuǎn)速為V4.

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：L為車輪軸距；W為兩輪間距離.

4 駕駛員操縱模塊設(shè)計

駕駛員的操縱意圖主要通過對操縱按鈕、手柄、踏板、方向盤等操縱裝置進行操縱來體現(xiàn).整車控制器則根據(jù)駕駛員指令，對駕駛員操作的內(nèi)容進行識別，并同時解析車輛運行狀態(tài)參數(shù)信號來判斷車輛狀態(tài)，根據(jù)實際情況響應(yīng)駕駛員的操作信息，管理車輛上下電模式、運行模式等，并優(yōu)化分配車輛驅(qū)動輪數(shù)，保證車輛的動力性能，協(xié)助駕駛員完成對多輪分布式驅(qū)動車輛的控制[6].駕駛員操縱模塊設(shè)計主要包括以下幾個方面.

1)系統(tǒng)上下電模式管理

通過判斷點火鑰匙的位置判斷駕駛員開鑰匙的意圖，對車輛的鑰匙位置、低壓上電時序、高壓上電的過程進行定義，鑰匙位置依據(jù)傳統(tǒng)車設(shè)計，有4種位置狀態(tài)，包括：OFF、ACC、ON、START.

2)動力總成系統(tǒng)工作模式管理

綜合控制系統(tǒng)負責(zé)對多輪驅(qū)動整車動力系統(tǒng)運行模式、功能及狀態(tài)進行管理，控制系統(tǒng)根據(jù)車速、油門踏板、剎車踏板和汽車的其他狀態(tài)來確定車輛運行模式，并確定和管理不同運行模式間的轉(zhuǎn)換.運行模式包括了兩輪、四輪、六輪驅(qū)動.

3)加速意圖

駕駛員的加速意圖通過加速踏板來體現(xiàn)，加速踏板與驅(qū)動電機驅(qū)動能力相關(guān)，并通過整車控制器關(guān)聯(lián)能源供給系統(tǒng)，并最終控制車輛的加速度與車速.從加速踏板的作用可以看出，駕駛員在駕駛車輛過程中的意圖可以通過加速踏板的動作來反映，因此，研究駕駛員的駕駛意圖就有必要對加速踏板的動作進行分析[7].將加速踏板開至最大開度時定義為100%，未踩踏加速踏板時的開度定義0%，則加速踏板的開度范圍就為0% - 100%.

4)轉(zhuǎn)向意圖

多輪分布式電驅(qū)動特種車輛采用傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向和電子差速轉(zhuǎn)向相結(jié)合的轉(zhuǎn)向方式，以提高車輛轉(zhuǎn)向的平順性.并且多輪獨立驅(qū)動方式可改善車輛的牽引特性和滑移特性，拓寬車輛轉(zhuǎn)向半徑范圍.

在駕駛員與汽車所組成的一個人—車閉環(huán)系統(tǒng)中，駕駛員在駕駛汽車的過程中，會根據(jù)需要操縱方向盤使汽車作一定的轉(zhuǎn)向運動[8].同時，汽車在行駛過程中還會受到路面凹凸狀況、交通狀況、氣候狀況(側(cè)風(fēng)等)的影響而改變車輛的原來行駛方向，這時，駕駛員就要通過手(握住轉(zhuǎn)向盤)、眼睛(觀察到汽車的運動)、身體(承受到的慣性力)及耳朵(聽到輪胎在地面滾動時的聲音)等來感覺、檢測汽車的運動狀態(tài)及行駛方向，及時調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角來保證汽車能按照期望目標行駛.而汽車方向盤是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中駕駛員的直接操縱部分[9].方向盤轉(zhuǎn)角的大小對汽車的操縱穩(wěn)定性具有較大影響[10].駕駛員通過對方向盤的操縱來將自己的意圖傳達給汽車轉(zhuǎn)向系，實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向意圖.因此，正確辨識駕駛員意圖的前提就是要分析各方向盤轉(zhuǎn)角動作.不同的汽車，其方向盤最大的轉(zhuǎn)動角度大小不太相同.在其轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，駕駛員每改變一次方向盤到一定的位置就代表駕駛員對方向盤的一次動作.一般駕駛過程中對方向盤的操縱都是在小轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)[11].

5)制動意圖

制動踏板就是限制汽車動力的踏板，駕駛員通過腳踏制動踏板進行減速和停車操作.通過試驗測量不同制動工況下車輛在制動過程中制動踏板特性，也就是制動踏板力、制動踏板位移、制動管路油壓和車速等物理量，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，然后分析采用不同參數(shù)及其組合進行駕駛員制動意圖識別的優(yōu)缺點，最終確定制動踏板位移是進行駕駛員制動意圖識別的最佳參數(shù)，其不受駕駛員駕駛習(xí)慣的影響，易測量，并能真實反映出駕駛員的制動意圖.駕駛員通過對制動踏板的操作來產(chǎn)生作用到汽車上一定的制動力，從而反映自己對車輛減速的意圖.

5 整車能量管理模塊設(shè)計

多輪分布式驅(qū)動系統(tǒng)供電單元和用電單元眾多，電功率流動復(fù)雜，各動力部件需要協(xié)同工作，因此，通過合理有效的控制算法在各動力部件之間實現(xiàn)電能的分配管理與協(xié)同控制是實現(xiàn)車輛良好性能的關(guān)鍵.如圖6為多輪電驅(qū)動綜合能量管理示意圖.

圖6 綜合控制能量管理

多輪分布式驅(qū)動系統(tǒng)能量分配與控制策略首先根據(jù)駕駛員操作和車輛運行狀態(tài)確定車輛工作模式，不同的工作模式下對應(yīng)著各自相應(yīng)的電能分配與控制策略.控制系統(tǒng)根據(jù)信號采集得到的回饋信息和駕駛員輸入信號來實時地分配動力蓄電池、電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作狀態(tài)和功率流動，控制各部件協(xié)同工作，使車輛實現(xiàn)駕駛員的操作意圖的同時體現(xiàn)出良好的性能，而底層各子系統(tǒng)在接到整車控制器的上述指令之后各自進行控制來實現(xiàn)上層策略的目標指令.

6 結(jié) 論

多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)集成車輛能量管理、安全動力學(xué)控制以及協(xié)調(diào)車輛各部件共同運行等核心功能，對于車輛的正常、安全行駛發(fā)揮著不可替代的作用.本文對適用于特種車輛的多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)開展了設(shè)計研究.

1)基于整車總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析表明，多輪分布式電驅(qū)動系統(tǒng)主要可劃分為驅(qū)動控制、整車控制、駕駛員操縱、整車能量管理等幾個核心模塊.通過對各個功能模塊的分析和建立，完善了多輪分布式電驅(qū)動特種車輛整車控制系統(tǒng)設(shè)計.為后期的控制算法制定及動力學(xué)模型建立構(gòu)建了總體平臺.

2)整車控制模塊以達到最優(yōu)驅(qū)動力分配控制為目標.包括了驅(qū)動扭矩協(xié)調(diào)控制、牽引力控制、橫擺力矩控制、直線行駛控制以及電子差速轉(zhuǎn)向的控制等內(nèi)容，在滿足駕駛員對驅(qū)動力需求的前提下，達到整車性能最佳，并通過整車控制算法來豐富和完善車輛主動安全系統(tǒng)的功能.

3)驅(qū)動控制模塊是多輪分布式電驅(qū)動車輛的重要分系統(tǒng)，是整車控制模塊的執(zhí)行層.其性能優(yōu)劣對于分布式電驅(qū)動特種的總體使用性能有很大的影響，驅(qū)動電機需要具備啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、調(diào)速范圍寬、質(zhì)量小、效率高、體積小等特點.并具有較強的動態(tài)驅(qū)動和能量回饋特性.

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ResearchonDistributedMulti-wheelElectric-driveSystemDesignforaSpecialVehicle

ZOU Bo1, TAN Kun1, YANG Gang1, TANG Gang1, YANG Shi-chun2

(1. Research center of special vehicles,Tiemaindustries corporation, Chongqing 400050, China;2. Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

Taking a 6×6 special vehicle as a research object, its general structure and characteristics are analyzed for building its distributed multi-wheel electric-drive system. The driving system of the vehicle is divided into several core modules including the driving control, the vehicle control, the driver operation and the energy management of the vehicle. Combined with the features of the vehicle, each module is designed and studied respectively. The control method of the vehicle, the coordination control strategy of the torques, the control flow of the driving forces and the control model of its electronic differential are studied. Based on the established key functional modules, the design for the distributed electric-drive system of the vehicle is improved.

vehicle engineering; hybrid; distributed drive; electric drive

1009-4687(2017)04-0001-06

2017-08-20

重慶市科委應(yīng)用開發(fā)項目資助(cstc2013yykfb60003)

鄒 波(1984-)，男，高工，博士，研究方向為車輛總體技術(shù).

U463

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