陳 龍，周文競(jìng)，盤(pán)朝奉，陳 燎

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)汽車(chē)工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

2016068

基于效率優(yōu)化的純電動(dòng)汽車(chē)雙電源工作模式切換策略的研究*

陳 龍1,2，周文競(jìng)1，盤(pán)朝奉1,2，陳 燎1

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)汽車(chē)工程研究院，鎮(zhèn)江 212013)

為了提高雙電源電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)效率，對(duì)電池、超級(jí)電容和電機(jī)等子模塊進(jìn)行了建模和工作過(guò)程的效率分析，以揭示在蓄電池單驅(qū)、蓄電池和超級(jí)電容雙驅(qū)和預(yù)充電3種驅(qū)動(dòng)模式下電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)效率隨車(chē)速和加速度而變化的規(guī)律?；谛首顑?yōu)的原則，在Matlab/simulink環(huán)境下研究了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，使電動(dòng)汽車(chē)能夠合理切換工作模式，使動(dòng)力系統(tǒng)工作在效率最優(yōu)的區(qū)域，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。

雙電源；控制策略；效率最優(yōu)；超級(jí)電容

前言

純電動(dòng)汽車(chē)的污染小，噪聲小，結(jié)構(gòu)、控制和維護(hù)簡(jiǎn)單，逐漸成為新能源汽車(chē)中重點(diǎn)發(fā)展的車(chē)型[1]，使以電池、電機(jī)和整車(chē)控制技術(shù)為核心的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生重大技術(shù)變革，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和整車(chē)控制成為重要的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。

近幾年，諸多文獻(xiàn)對(duì)純電動(dòng)車(chē)的控制策略進(jìn)行了研究[2-3]。文獻(xiàn)[2]中搭建了純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)仿真模型，利用建立的模型對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的起步加速過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]中對(duì)蓄電池-超級(jí)電容的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)在4種能量管理策略下進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，發(fā)現(xiàn)基于規(guī)則的控制策略具有較低的運(yùn)行成本?？梢?jiàn)，提高純電動(dòng)車(chē)的效率是制定驅(qū)動(dòng)策略的重要依據(jù)，基于規(guī)則的能量管理策略是實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化的重要手段。

蓄電池的功率密度低，以蓄電池為單一電源的純電動(dòng)汽車(chē)，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性受到極大限制。將超級(jí)電容引入電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，利用其高功率密度的特點(diǎn)彌補(bǔ)蓄電池的不足[4-5]。超級(jí)電容功率密度大，能夠配合電池的輸出電流滿足車(chē)輛大功率工況下轉(zhuǎn)矩和功率的需求，保證電池的輸出電流平穩(wěn)，提高電池和動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率，延長(zhǎng)電池的壽命[5]。

本文中通過(guò)建立電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的效率模型，分析在蓄電池單驅(qū)、蓄電池與超級(jí)電容雙驅(qū)和蓄電池給超級(jí)電容預(yù)充電3種驅(qū)動(dòng)模式[5]下電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)效率的變化規(guī)律，以效率優(yōu)化為目標(biāo)，研究基于規(guī)則的能量管理控制策略，并分析其控制效果。

1 動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)

超級(jí)電容-蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量管理控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分配超級(jí)電容、蓄電池的輸出功率并發(fā)出指令。電機(jī)控制器的功能是控制電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)時(shí)，控制電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，控制電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能[5]。

圖1 復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)建模與效率分析

1.2.1 蓄電池模型及其效率特性分析

本文中采用的蓄電池基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 蓄電池基本參數(shù)

常用的電池電路模型主要有線性模型、Thevenin模型和PNGV等效電路模型[4,6]。線性模型過(guò)于簡(jiǎn)單，誤差較大；PNGV模型階數(shù)高，參數(shù)難以確定。故本研究采用Thevenin模型[7-8]，如圖2所示。圖中E為開(kāi)路電壓，R1為極化電阻，C1為極化電容，R0為歐姆電阻，Ub為輸出電壓。

圖2 蓄電池的等效電路模型

對(duì)錳酸鋰電池的內(nèi)阻特性進(jìn)行測(cè)試與分析，可知?dú)W姆電阻與極化內(nèi)阻在放電時(shí)呈現(xiàn)的內(nèi)阻特性為：荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)∈(0.2,0.9)時(shí)，電池內(nèi)阻平穩(wěn)；SOC∈[0,0.2]/[0.9,1]時(shí)，電池內(nèi)阻較高[7]。在高電量低電量狀態(tài)下電池的內(nèi)阻較高，相同的放電電流導(dǎo)致較高的損耗；中間電量狀態(tài)時(shí)，內(nèi)阻較低且較為穩(wěn)定，損耗較少。綜上所述，本文中將電池分為兩種工作狀態(tài)：SOC∈[0,0.2]/[0.9,1]的低效率區(qū)和SOC∈(0.2,0.9)的高效率區(qū)。對(duì)蓄電池進(jìn)行靜置特性測(cè)試，獲取該蓄電池在不同電池SOC下的歐姆電阻R0、極化內(nèi)阻R1和極化電容C1[8]。將電池阻抗以表格形式輸入電池的效率模型，根據(jù)SOC確定電池內(nèi)部阻抗，理論計(jì)算出電池的損耗，其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：U1為極化電壓，即R1和C1兩端電壓；Pbw為功率損耗；I為輸出電流。

1.2.2 超級(jí)電容模型及其效率特性分析

式(2)描述了超級(jí)電容的輸出特性和能量特性，根據(jù)該式可確定超級(jí)電容的底線電壓和最大放電電流為

(2)

式中：C為超級(jí)電容的電容值；Ut為額定電壓；Ub為底線電壓；η為逆變器的效率；Imax-sc為超級(jí)電容最大輸出電流；Imax為超級(jí)電容輸入到總線上的最大電流；Umax為總線上最大電壓；Umin為超級(jí)電容最小輸出電壓；ΔE為超級(jí)電容可用的能量。采用軟開(kāi)關(guān)的DCDC逆變器在大輸出功率下的效率高達(dá)95%[6,9-10],根據(jù)選用的軟開(kāi)關(guān)逆變器型號(hào)HWZ20的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，設(shè)定其效率值η為0.95。選用電動(dòng)車(chē)專(zhuān)用超級(jí)電容模組BMOD0165 P048。根據(jù)式(2)計(jì)算從額定電壓開(kāi)始放電至不同的底線電壓所對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容可用能量、最大電流放電時(shí)間和最大允許電流，如表2所示。

表2 超級(jí)電容底線電壓對(duì)應(yīng)表

結(jié)合表2中的值，設(shè)定Ub=25V。在該底線電壓下，最大電流放電時(shí)間最長(zhǎng)，放電深度達(dá)51.4%，可利用能量達(dá)143kJ。

目前超級(jí)電容的等效電路模型主要有經(jīng)典拜德極化模型和Newman傳輸線模型[10-11]。上述兩種模型雖精確度較高，但模型較復(fù)雜。在進(jìn)行慢速和突加負(fù)載放電時(shí)，兩種等效電路的放電電流和電容兩端電壓基本吻合[10,12]。本文中采用超級(jí)電容拜德極化模型的等效模型，如圖3所示。圖中C為超級(jí)電容的電容，Res為串聯(lián)電阻，Rep為并聯(lián)電阻。

圖3 超級(jí)電容等效電路模型

為合理利用超級(jí)電容的能量，本文中在額定電壓Ut與底線電壓Ub之間擬定兩條電壓線，UH和UL。超級(jí)電容端電壓U在UH與Ut之間時(shí)，說(shuō)明儲(chǔ)存電量即將接近極限，優(yōu)先采用雙驅(qū)驅(qū)動(dòng)；U在UL與Ub之間時(shí)，若SOC(0.2,1],電量充足，在無(wú)需超級(jí)電容供電的低需求功率下，優(yōu)先采用預(yù)充電模式，若SOC(0,0.2]，電量低，則不考慮預(yù)充電模式；U在UH與UL之間時(shí)為效率區(qū)間，根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)效率來(lái)區(qū)分單驅(qū)模式和雙驅(qū)模式。本研究中設(shè)定UH=45V，UL=30V，如圖4所示。超級(jí)電容分為3個(gè)工作狀態(tài)：(1)端電壓U(45,48.6]的優(yōu)先雙驅(qū)區(qū)；(2)端電壓U(30,45]的效率區(qū)；(3)端電壓U[25,30]的優(yōu)先預(yù)充區(qū)。

圖4 超級(jí)電容工作狀態(tài)劃分

由于超級(jí)電容多工作在大電流狀態(tài)，此時(shí)其內(nèi)阻波動(dòng)很小[13]，故在對(duì)超級(jí)電容建模時(shí)，只考慮定值串聯(lián)電阻Res的損耗，而并聯(lián)電阻上的漏電電流極小，可以忽略不計(jì)[13]，故超級(jí)電容損耗的數(shù)學(xué)模型為

(3)

式中：Pws為超級(jí)電容的功率損耗；Res為定值，可在超級(jí)電容的技術(shù)參數(shù)中獲得。

1.2.3 電機(jī)效率特性分析

電機(jī)損耗的經(jīng)驗(yàn)公式可參見(jiàn)文獻(xiàn)[14]，但諸多損耗系數(shù)難以獲得，直接用理論計(jì)算損耗有很大難度和誤差。在生產(chǎn)廠商提供的電機(jī)效率MAP圖譜的基礎(chǔ)上，將關(guān)鍵點(diǎn)的電機(jī)效率運(yùn)用表格的形式代入電機(jī)的效率模型，根據(jù)需求轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，運(yùn)用分段線性插值的方法，直接得出電機(jī)瞬時(shí)效率ηe。

1.2.4 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)效率模型構(gòu)建和效率優(yōu)化方法

采用逆向建模方法，即數(shù)據(jù)流方向和實(shí)際的能量流方向相反，以忽略駕駛員的影響，降低了模型復(fù)雜度，模型如圖5所示。

根據(jù)蓄電池的效率分析，在模型中取SOC=0.6代表電池的高效率區(qū)進(jìn)行仿真；取SOC=1代表低效率區(qū)仿真。超級(jí)電容端電壓U[25,48.6]V，在模型中設(shè)定超級(jí)電容初始端電壓U0=42V代表(35,48.6]的高工作電壓區(qū)間，設(shè)定U0=30V代表[25,35]的低電壓工作區(qū)間。以速度v和加速度a作為自變量計(jì)算系統(tǒng)效率。

圖5 效率優(yōu)化算法模型

使系統(tǒng)效率最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)為

(4)

1.2.5 電動(dòng)汽車(chē)的工作模式的區(qū)分

通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)效率模型可計(jì)算各工況下蓄電池單驅(qū)模式和蓄電池-超級(jí)電容雙驅(qū)模式的效率值，得出效率空間曲面圖，并投影至v-a平面獲得單雙驅(qū)模式效率曲面的空間交線，如圖6～圖9所示，粗實(shí)線以上部分為雙驅(qū)模式，粗實(shí)線及以下部分為單驅(qū)模式。

圖6 工作模式區(qū)分1

(1) 電池處于高效率區(qū)間，超級(jí)電容處于高電壓區(qū)間時(shí)，單雙驅(qū)模式區(qū)分方法如圖6所示。電池SOC(0.2,0.9)的高效率區(qū)，超級(jí)電容端電壓U(35,48.6]的高工作電壓區(qū)間,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的3次多項(xiàng)式擬合得到雙驅(qū)模式的蓄電池優(yōu)化輸出功率為

PB1=[-0.3504,0.05726,2.936,-0.0002986,0.1945,-6.958,7.609e-6,-0.002048,0.07655,4.644]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中：v為車(chē)速；a為加速度；PB1為輸出功率，kW。

(2) 電池處于高效率區(qū)間，超級(jí)電容處于低電壓區(qū)間時(shí)，單雙驅(qū)模式區(qū)分方式如圖7所示。電池SOC(0.2,0.9)的高效率區(qū)，超級(jí)電容外電壓U(25,35]的低工作電壓區(qū)間,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的3次多項(xiàng)式擬合得到，雙驅(qū)模式的蓄電池優(yōu)化輸出功率為

PB2=[-0.4825,0.09645,1.26,-0.002179,-0.0983,1.373,3.008e-5,0.001303,0.1321,-4.031]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中PB2為輸出功率，kW。

圖7 工作模式區(qū)分2

(3) 電池處于低效率區(qū)間，超級(jí)電容處于高電壓區(qū)間時(shí)，單雙驅(qū)模式區(qū)分方式如圖8所示。電池SOC(0,0.2]或[0.9,1]的低效率區(qū)，超級(jí)電容外電壓U(35,48.6]的高電壓區(qū)間,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的3次多項(xiàng)式擬合得到雙驅(qū)模式的電池優(yōu)化輸出功率為

PB3=[-0.4587,0.1045,3.469,-0.002708,-0.1549,-3.421,2.504e-5,0.002379,0.1235,0.9143]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中PB3為輸出功率，kW。

圖8 工作模式區(qū)分3

(4) 電池處于低效率區(qū)間，超級(jí)電容處于低電壓區(qū)間時(shí)，單雙驅(qū)模式區(qū)分方法如圖9所示。電池SOC(0,0.2]或[0.9,1]的低效率區(qū)，超級(jí)電容外電壓U(25,35]的低工作電壓區(qū)間,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的3次多項(xiàng)式擬合得到雙驅(qū)模式的電池優(yōu)化輸出功率為

PB4=[0.2212,-0.01323,1.174,0.001982,-0.02571,-1.5,-2.5e-5,0.003214,0.2,0.4167]×[1,v,a,v2,va,a2,v3,v2a,va2,a3]T

式中PB4為輸出功率，kW。

圖9 工作模式區(qū)分4

1.3 整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略

整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略流程如圖10所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)控制策略流程圖

根據(jù)前面的分析可總結(jié)出基于效率最優(yōu)的復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制策略：車(chē)輛在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，傳感器實(shí)時(shí)采集電動(dòng)車(chē)的車(chē)速v、加速度a、蓄電池SOC和超級(jí)電容端電壓U，首先根據(jù)SOC和U判斷電池和超級(jí)電容所屬的工作狀態(tài)，再根據(jù)得到的工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)的車(chē)速和加速度判斷系統(tǒng)進(jìn)入單驅(qū)模式、雙驅(qū)模式或是預(yù)充電模式，若進(jìn)入單驅(qū)模式則停止超級(jí)電容的輸出，使電池單獨(dú)供電；若進(jìn)入雙驅(qū)模式則根據(jù)該工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電池最佳輸出功率調(diào)節(jié)蓄電池的輸出功率；若進(jìn)入預(yù)充電模式則選用對(duì)超級(jí)電容脈沖充電，最大限度地提高超級(jí)電容的能量接收率和能量效率[11]。

2 驅(qū)動(dòng)控制策略的建模和仿真

2.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建

為分析控制策略的控制效果，本文中建立了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真模型，它包括蓄電池模型、超級(jí)電容模型、車(chē)輛行駛需求功率生成模型和邏輯分配模型(包括工作狀態(tài)判斷模塊、電池輸出功率限制模塊和模式選擇模塊)4大部分。通過(guò)該模型可對(duì)控制策略的控制效果，電池和超級(jí)電容的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真,仿真模型如圖11所示。

圖11 控制策略仿真模型

2.2 驅(qū)動(dòng)控制策略仿真分析

制動(dòng)能量回收過(guò)程不在本文中的研究范疇，故在仿真時(shí)，設(shè)定制動(dòng)能量回收率ζ=20%，回收率定義為

ζ=Er/En

(5)

En=ΔWn+Efn

(6)

式中：Er為能夠回收到電容中的能量；En為制動(dòng)區(qū)間能量變化；ΔWn為制動(dòng)區(qū)間動(dòng)能變化；Efn為制動(dòng)區(qū)間阻力做功。駐車(chē)的行駛功率需求為零，近似認(rèn)為系統(tǒng)效率為1。

2.2.1 循環(huán)工況下動(dòng)力源的輸出對(duì)比

采用《GB/T 18386—2005電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程實(shí)驗(yàn)方法》[15-16]中的基本市區(qū)循環(huán)工況，在電池SOC=0.8,超級(jí)電容端電壓U=45V的初始條件下分析本控制策略下蓄電池的輸出電流，結(jié)果如圖12所示。可知，在瞬時(shí)大功率需求時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入雙驅(qū)模式，蓄電池的輸出電流相對(duì)穩(wěn)定，且明顯減小，輸出功率按照前面制定的PB1輸出。

圖12 循環(huán)工況下電動(dòng)汽車(chē)蓄電池輸出電流仿真結(jié)果

圖13 基本市區(qū)循環(huán)工況下效率比較圖

2.2.2 循環(huán)工況下整車(chē)經(jīng)濟(jì)性分析

在電池SOC=0.8，超級(jí)電容端電壓U=45V的初始條件下，以基本市區(qū)循環(huán)工況為輸入，仿真得到動(dòng)力系統(tǒng)效率的變化情況，如圖13所示(制動(dòng)工況和駐車(chē)工況不在本文的考慮范疇，設(shè)其系統(tǒng)效率均為1)。在模式切換瞬間，超級(jí)電容停止大電流輸出，使得系統(tǒng)電流出現(xiàn)跳動(dòng)，系統(tǒng)瞬間效率降低，而其他情況下，本驅(qū)動(dòng)策略有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)圖11，設(shè)定初始條件為超級(jí)電容電量充足，假設(shè)U=45V，以市區(qū)循環(huán)工況為輸入，在不同電池SOC下運(yùn)行仿真模型，可得到效率優(yōu)化后的整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。更改仿真模型，將動(dòng)力源僅保留蓄電池，同樣以市區(qū)循環(huán)工況為輸入，可得優(yōu)化前的整車(chē)經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化前后能耗對(duì)比如表3所示。ΔE1和ΔE2分別表示優(yōu)化前后整車(chē)能量損耗。

表3 整車(chē)能量損耗比較

以重復(fù)的基本城市循環(huán)工況為輸入，從初始SOC=1開(kāi)始，運(yùn)行控制策略仿真模型，直至SOC=0.1，比較優(yōu)化前后的車(chē)輛續(xù)駛里程，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 車(chē)輛續(xù)駛里程比較

由以上仿真結(jié)果可知，在本文中制定的策略下，單驅(qū)、雙驅(qū)和預(yù)充電模式能夠合理切換，并能夠在車(chē)輛行駛需求功率較大的工況下使電動(dòng)車(chē)進(jìn)入雙驅(qū)模式，減少蓄電池的負(fù)荷，同時(shí)降低系統(tǒng)的損耗，提高整車(chē)的能量效率和續(xù)駛里程。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)的特點(diǎn)劃分了電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)模式，并基于最優(yōu)效率建立了系統(tǒng)效率模型和驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別和轉(zhuǎn)換控制策略模型。

(2) 制定了純電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)控制策略，劃分了電池和超級(jí)電容的工作狀態(tài)，在效率模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合效率優(yōu)化算法，合理的區(qū)分了各種驅(qū)動(dòng)工況。

(3) 仿真結(jié)果表明，所建立的模型和控制策略是可行的，能夠有效提高系統(tǒng)的能量效率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程。

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A Research on the Working Mode Switching Strategy for the DualPower of Electric Vehicle Based on Efficiency Optimization

Chen Long1,2, Zhou Wenjing1, Pan Chaofeng1,2& Chen Liao1

1.InstituteofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.InstituteofResearchandAutomotiveEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

For enhancing the efficiency of dual power electric vehicles, the models for the sub-modules of battery, super capacitor and electric motor are set up, and the efficiency of system in working process is analyzed. The changing law of power system efficiency with the variations of vehicle speed and acceleration in three drive modes (battery drive alone, dual power drive and pre-charging) is revealed. Based on the principle of optimum efficiency, the control strategy for the power system of electric vehicle is studied under the environment of Matlab/ simulink to enable electric vehicle to reasonably switch its working modes and make power system operates in the region of optimum efficiency and extends the driving range of electric vehicle.

dual electric power; control strategy; optimum efficiency; super capacitor

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51105178)、江蘇省自然科學(xué)基金(BK2011489)、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111401)、國(guó)家新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程和江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目(2013-XNY-002)資助。

原稿收到日期為2014年11月24日，修改稿收到日期為2015年2月8日。