DE3010327A1

DE3010327A1 - Fahrantriebsanordnung

Info

Publication number: DE3010327A1
Application number: DE19803010327
Authority: DE
Inventors: Hans-Eric Dipl Ing Johansson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-18
Publication date: 1980-10-16
Also published as: SE7902800L; FR2452814A1; JPS55131202A; SE416435B; GB2050089B; GB2050089A; IT8067482A0

Description

ASEA AB, Västeras/Schweden Fahrantriebsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Fahrantriebsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei batteriegetriebenen elektrischen Fahrzeugen hat es sich bisher als notwendig erwiesen, zum Laden der Fahrzeugbatterien besondere, gewöhnlich ortsfeste Ladeaggregate vorzusehen. Derartige Ladeaggregate enthalten normalerweise einen Transformator und einen steuerbaren Gleichrichter sowie Steuerkreise zur Steuerung des Ladeverlaufs. Die Nennleistung eines solchen Ladeaggregats wird aufgrund der begrenzten Ladezeit relativ hoch, wodurch das Aggregat verhältnismäßig teuer wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrantriebsanordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der die Lade anordnung im Verhältnis zu den bekannten Anordnungen ohne eine nennenswerte Steigerung der Komplexität, des Gewichtes und des Preises des Fahrzeuges bedeutend vereinfacht und verbilligt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Fahrantriebsanordnung vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des

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Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Fahrantriebsanordnung

gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die in Fig. 1 ortsfest angeordneten Induktivitäten auf dem

Fahrzeug angeordnet sind,
Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Transformator zur Anpassung der Ladespannung auf dem Fahrzeug angeordnet ist.

Figur 1 zeigt ein gestrichelt umrandetes Fahrzeug F, das ein batteriegetriebener Elektro-Gabelstapler, ein elektrisches Auto ο. dgl. sein kann. Das Fahrzeug hat als Antriebsmotor M einen dreiphasigen Asynchronmotor und eine Akkumulatorenbatterie B. Die beiden Gleichstromanschlüsse eines dreiphasigen Wechselrichters VR sind an die Batterie B angeschlossen, während die Wechselstromanschlüsse des Wechselrichters über einen Umschalter mit zwei Stellungen SW an den Motor M angeschlossen sind.

Der Wechselrichter ist selbstkommutiert; er kann also selbständig eine dreiphasige Wechselspannung erzeugen. Der Wechselrichter

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1st von an sich bekannter Art und besteht aus einer Brückenschaltung von sechs mit Löschgliedern versehenen Thyristoren T1 - T6. Zu jedem Thyristor liegt antiparallel· ein als Diode D1 D6 ausgebildetes Rückspeiseventil. Der Wechselrichter hat ein Steuerimpulsglied SPD, das Steuerimpulse an die Thyristoren und deren Löschglieder in solcher Weise abgibt, daß man eine dreiphasige Wechselspannung an den Ausgangsklemmen R, S, T des Wechselrichters erhält.

Bei normalem Betrieb des Fahrzeugs steuert das Steuerimpulsglied den Wechselrichter derart, daß die Frequenz und die Amplitude der Wechselspannung zur Steuerung des Motors variierbar sind. Beispielsweise kann das Steuerimpulsglied einen spannungsgesteuerten Oszillator zur Steuerung der Frequenz enthalten, und die Amplitude der Ausgangswechselspannung wird zweckmäßig, beispielsweise durch Pulsbreitenmodulation, so gesteuert, daß ihre Amplitude der Frequenz proportional ist. Die Arbeitsweise und der Aufbau eines solchen Wechselrichters sowie seine Steuerkreise sind bereits bekannt. Bei normalem Betrieb liegt der Umschalter SW in der in der Figur voll ausgezogenen dargestellten Stellung, und die Batterie B speist über den Wechselrichter den Motor M. Dadurch, daß die Frequenz des Wechselrichters variiert wird, werden Drehzahl, Schlupf und Drehmoment des Motors beeinflußt. Wenn die Frequenz des Wechselrichters gesenkt" wird, so daß der Schlupf negativ wird, speist der Motor Leistung in die Batterie zurück, wodurch man eine elektrische Nutzbremsung erhält. Da die Steuerkreise und Steuerglieder, die bei normalem Betrieb verwendet werden, bereits bestens bekannt sind, werden diese in der

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Figur nicht näher gezeigt.

Zum Laden der Fahrzeug-Batterie wird der Umschalter in seine in der Figur gestrichelt dargestellte Lage gestellt, wodurch der Motor vom Wechselrichter abgeschaltet und der Wechselrichter mit dem im Fahrzeug angeordneten Stecker Aj, verbunden wird. Der Stekker Aj, wird zum Laden der Batterie mit der ortsfesten Steckdose Ap₁ verbunden.

Die WechselSpannungsquelle zum Laden der Batterie besteht aus einem Drehstromtransformator TR, der mit den Anschlüssen Rjj, S^ und Tjj permanent am Wechselspannungsnetz liegt. Der Transformator transformiert die Netzspannung herunter auf eine zum Laden der Batterie geeignete Spannung von z.B. 50 - 100 V. Die Sekundärspannung des Transformators ist über die Induktivitäten L-j_R» ^₁₃ und L_1T an die Steckdose A_p1 angeschlossen.

Der Stecker Aj, hat ebenso wie die Steckdose AF₁ drei Hauptbuchsen (bzw. Stifte) zum Anschluß der Hauptkreise des Wechselrichters über den Umschalter SW und die Induktivitäten L_1R, L_{1 g} und L_1T an die Wechselspannungsquelle (Transformator TR). Ferner haben Stecker und Steckdose drei Hilfsbuchsen bzw. -stifte zum Anschluß der Phasensteuerkreise des Wechselrichters direkt an die Wechselspannungsquelle .

Während des Ladene wird der Wechselrichter wie folgt gesteuert: Der Wechselrichter erzeugt eine starre Wechselspannung an seinen Klemmen R, S, T. Die Sekundärspannung des Transformators TR ist

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ebenfalls eine starre Wechselspannung. Diese beiden Spannungen sind über die Induktoren L_{4 D}, h_A _σ und Lm miteinander verbunden.

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Wenn der Phasenunterschied zwischen den beiden· Spannungen klein ist, so gilt mit guter Näherung, daß der Wirkleistungsfluß dem Phasenunterschied zwischen den beiden Spannungen proportional ist und daß der Blindleistungsfluß dem Unterschied zwischen den Amplituden der beiden Spannungen proportional ist.

Zweckmäßigerweise wird die Amplitude der Spannung des Wechselrichters so gesteuert, daß sie näherungsweise genauso groß wird wie die Amplitude der Sekundärspannung des Transformators TR, wodurch der Blindleistungsfluß zwischen dem Netz und dem Wechselrichter so klein wie möglich wird. Zu diesem Zweck wird dem Amplitudensteuereingang AC des Steuerimpulsgliedes SPD des Wechselrichters ein analoges Spannungsanpassungssignal Sy zugeführt, das mit Hilfe eines Potentiometers P so eingestellt ist, daß die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters den gewünschten Wert annimmt.

Zur Steuerung der Phasenlage der Ausgangsspannung des Wechselrichters werden die drei Phasenspannungen U_R, U_g und Um Verstärkern F_R, F_g und F_T zugeführt, in denen die Spannungen durch Amplitudenabschneidung in rechteckförmige Wechselspannungen U'_R, U'_s und U'_T umgeformt werden, die mit den Spannungen U_R, U_g und U_R phasen- und frequenzgleich sind. Diese Signale werden Verzögerungsgliedern D_R, Dg und D_T mit steuerbarer Zeitverzögerung zugeführt. Die Ausgangsspannungen S_R, S_g und S_ der Verzögerungsglieder werden dem Synchronisiereingang S_c des Steuerimpulsglie-

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des des Wechselrichters zugeführt, das die Ausgangsspannungen des Wechselrichters auf Frequenz- und Phasengleichheit mit den Signalen S_R, S_g und S^ steuert.

Ein an sich bekannter Laderegler CR liefert einen Sollwert I_B0 für den Ladestrom. Dieser Sollwert kann in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Batterie spannung Ug, die man von einem Spannungsteiler SD erhält, und in Abhängigkeit der Zeit gesteuert werden, so daß der Ladestrom den gewünschten Verlauf erhält. Der Istwert Ig des Ladestroms, den man mit einem Meßshunt SH gewinnt, wird in einem Vergleichsglied JF mit dem Sollwert verglichen. Die Abweichung Δ I wird einem Stromregler IR mit Pl-Charakteristik zugeführt, dessen Ausgangssignal S_p den Verzögerungsgliedern D_R, Dg, D„ zugeführt wird und die Größe der Verzögerung bestimmt.

Die Phasenlage der Steuersignale S_R, S«, S„, und damit der EMK des Wechselrichters wird daher automatisch gesteuert, so daß der Ladestrom I_ß dem vom Laderegler CR abgegebenen Sollwert I™ folgt.

Die Erfindung hat gegenüber bereits bekannten Fahrantriebssystemen erhebliche Vorteile. Das Fahrzeug selbst hat alle die bereits bekannten Vorteile eines wechselstromgespeisten Antriebsmotors, bei dem es sich um einen billigen und praktisch wartungsfreien Asynchronmotor handeln kann. Die Steuerung des Motors wird mit Hilfe des Wechselrichters geschmeidig, schnell und verlustarm. Das Fahrzeug kann regenerativ gebremst werden, wodurch

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man eine erhebliche Zunahme der Fahrstrecke bei gegebener Batteriekapazität oder umgekehrt eine bedeutende Verringerung der Batteriegröße bei gegebener Fahrstrecke erhält'.

Die bei einem Fahrzeug nach der Erfindung erforderlichen Zusatzeinrichtungen bestehen aus dem Umschalter SW und den in der Figur gezeigten außerhalb des Wechselrichters liegenden Steuerkreisen zum Laden. Der umschalter SW kann, da er nur im stromlosen Zustand betätigt zu werden braucht, einfach und billig sein. Die Steuerkreise können einfache Ergänzungen der Steueranordnung sein, mit der das Fahrzeug ohnehin ausgerüstet ist. Weder der Umschalter noch die Steuerkreise verursachen daher eine nennenswerte Erhöhung des Fahrzeugpreises oder -gewichtes.

Dagegen erhält man eine sehr große Vereinfachung der ortsfesten Ladeanordnung. Diese besteht im Prinzip nur aus einem einzigen Transformator. Wenn mehrere Fahrzeuge gleichzeitig geladen werden sollen, braucht der Transformator nur mit mehreren Steckdosen versehen zu werden. Eine weitere solche Steckdose Ap₂ ist in Figur 1 gezeigt. Sie ist genauso wie die Steckdose Ap₁ aufgebaut. Die Hauptbuchsen dieser Steckdose sind über die Induktivitäten L_2R, L₂₃ und L_2T und ihre Hilfsbuchsen sind direkt an die Sekundärseite des Transformators TR angeschlossen. Die Steckdosen können an verschiedenen Stellen in beispielsweise einer Fabrikanlage angeordnet und mit einem an geeigneter Stelle aufgestellten Transformator verbunden sein. Aufgrund des Gleichzeitigkeitsfaktors kann die Nennleistung des Transformators

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kleiner sein als die Summe der Nennleistungen der Steckdosen. Wenn eine Wechselspannung geeigneter Größe zur Batterieladung bereits vorhanden ist, kann auf den Transformator verzichtet werden, so daß die ortsfeste Anordnung dann nur aus den Steckdosen und den zwischengeschalteten Induktivitäten besteht.

Damit ergibt die Erfindung im Vergleich zu bereits bekannten Fahrantriebssystemen eine außerordentliche Ersparnis.

Vorstehend wurde beschrieben, wie die Erfindung bei einem Elektro-Gabelstapler oder einem Elektroauto angewendet wird. Die Erfindung kann jedoch genauso gut bei anderen Arten von Elektrofahrzeugen angewendet werden.

Eine Fahrantriebsanordnung nach der Erfindung kann aus einem oder mehreren Fahrzeugen bestehen und eventuell auch die ortsfeste Anordnung zum Laden der Fahrzeug-Batterien umfassen.

In dem vorstehend beschriebenen Beispiel ist der von der Batterie über den Wechselrichter gespeiste Motor ein Antriebsmotor für das Fahrzeug, doch kann der Motor alternativ auch als Antrieb für beispielsweise die Hebebewegung eines Gabelstaplers dienen.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform einer Steueranordnung zur Batterieladung kann im Rahmen des offenbarten Erfindungsgedankens in einer großen Anzahl von Varianten ausgebildet sein. Beispielsweise kann statt der dargestellten einfachen Steuerung der Wechselrichterspannung ein geschlossener Regelkreis verwen-

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det werden, der die Wechselrichterspannung oder den Blindleistungsfluß in gewünschter Weise regelt.

Selbstverständlich kann der Wechselrichter selbst durch eine große Anzahl Wechselrichterschaltungen ersetzt werden.

Die Steuerung des Ladestromes kann anders als in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgen. Beispielsweise kann der Ladestrom allein nach einem Zeitprogramm gesteuert werden, wobei das Messen der Batteriespannung entfallen kann.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß die Fahrzeugbatterie aus einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz geladen wird. Alternativ kann die Batterieladung durch ein einphasiges Wechselspannungsnetz erfolgen. Dabei wird der Wechselrichter während des Ladens als Einphasenwechselrichter betrieben, wobei nur zwei der drei Phasengruppen des Wechselrichters benutzt werden. Die Wechselstromklemmen, z.B. R und S, dieser beiden Phasengruppen werden dann über eine einphasige Anschlußvorrichtung an das Wechselspannungsnetz angeschlossen. Eine Induktivität (z.B. L_1R) ist dabei nur in einer der beiden Phasenleitungen erforderlich.

Figur 2 zeigt eine Fahrantriebsanordnung, die mit der in Figur 1 gezeigten mit der Ausnahme übereinstimmt, daß die Induktivitäten

^L1R» ^L1S^{f L}1T ^{am Fanrzeu}£ zwischen dem Stecker A_M und dem Umschalter SW angeordnet sind. Die Spannungen U_R» Ug, U™ zur Pha-

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sensteuerung des Wechselrichters können dann zwischen den Induktivitäten und dem Stecker entnommen werden. Hierdurch werden die Steckdosen und Stecker bedeutend vereinfacht, da keine Hilfsbuchsen bzw. Hilfsstifte erforderlich sind, um die Spannungen U_R, Ug, U_T zu übertragen. Ferner ist nicht, wie in Pig. 1, an Jeder Steckdose ein Satz Induktivitäten erforderlich, sondern nur ein einziger, am Fahrzeug angeordneter Satz Induktivitäten.

Figur 3 zeigt, wie der Transformator TR auf dem Fahrzeug F angeordnet werden kann. Die Steckdosen können dann an ein existierendes Wechselspannungsnetz, z.B. an ein normales 380 V Drehstromnetz angeschlossen werden. Der ortsfeste Teil der Fahrantriebsanordnung besteht dann nur aus konventionellen Steckdosen Ap₁, Ap₂» Ap,, die einfach und billig in gewünschter Anzahl und an gewünschten Stellen in beispielsweise einer Fabrikanlage angeordnet werden können. Oft sind Steckdosen dieser Art zum Laden von Fahrzeugen bereits an geeigneten Stellen angebracht. Diese Ausführungsform ergibt beim Entstehen keiner oder nur geringer Kosten für den ortsfesten Teil eine maximale Flexibilität hinsichtlich des Ladens einer beliebigen Anzahl von Fahrzeugen an beliebigen Stellen.

Der Transformator wird zweckmäßig im Fahrzeug so angeordnet, daß er die Stabilität des Fahrzeuges günstig beeinflußt. Er kann manchmal Gegengewichte in z.B. einem Gabelstapler ganz oder teilweise ersetzen, und er bewirkt dann keine oder nur eine geringfügige Erhöhung des Fahrzeuggewichts.

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■Vorstehend wurde beschrieben, wie die Netzwechselspannung (Up» U_a, Um) abgetastet und als Sollwert zur Steuerung der Phasenlage der Wechselrichterspannung und damit des Wirkleistungsflusses (Ladestrom) benutzt wird. Es ist bereits bekannt, einen Stromrichter mit Hilfe eines freischwingenden Oszillators mit steuerbarer Frequenz zu steuern, der (evtl. über Hilfskreise) Steuerimpulse an die Ventile des Stromrichters gibt. Wenn der Wechselrichter im Fahrzeug einen solchen Oszillator hat oder damit versehen wird, dann kann der Oszillator auch während des Ladeverlaufs zur Steuerung des Wechselrichters verwendet werden. Der Unterschied zwischen beispielsweise den Soll- und Istwerten des Ladestroms beeinflußt dann die Frequenz des Oszillators und damit dessen Phasenlage, wodurch ein geschlossenes Regelsystem gebildet wird, das den Istwert des Ladestroms auf Übereinstimmung mit seinem Sollwert steuert. Die in den Figuren 1-3 gezeigte Abtastung der Netzspannung U_R, U_g, U_T wird dann überflüssig, womit auch die in Fig. 1 gezeigten Hilfsbuchsen und Hilf sstif te an den Steckdosen und Steckern A«, A^, Ap« überflüssig werden.

Vorstehend ist ein Fahrzeug mit nur einem Wechselrichter und nur einem Antriebsmotor M beschrieben worden. Die Erfindung kann natürlich auch angewendet werden bei Fahrzeugen mit mehreren Antriebsmotoren, beispielsweise einem für jedes Rad, die entweder von einem gemeinsamen Wechselrichter oder von individuellen Wechselrichtern gespeist werden. Der Wechselrichter (oder einer oder mehrere der Wechselrichter) kann dann auf die oben beschriebene Weise zum Laden der Fahrzeug-Batterie benutzt werden.

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Oft ist in Fahrzeugen der vorliegenden Art ein Schütz zum Durchschalten der Speisespannung zum Motor erforderlich. Dieses Schütz kann dann als Umschalter ausgebildet und wie der in den Figuren 1-3 gezeigte Umschalter SW benutzt werden.

In Figur 3 ist der Transformator auf dem Fahrzeug angeordnet. Der Transformator kann dabei so ausgebildet werden, daß seine Streuinduktivität so groß wird, daß man auf separate Induktivitäten L-jof L^g und L«j_T verzichten kann. Dasselbe gilt bei den Ausführungsformen nach Figur 1 und 2, wenn nur eine ortsfeste Steckdose, z.B. A_pi, zum Laden des Fahrzeuges vorgesehen wird.

Die Ausführungsformen gemäß Figur 1 und 2 können so modifiziert werden, daß ein Teil der erforderlichen Induktivität im Fahrzeug und der Rest in Reihe mit der betreffenden Steckdose angeordnet wird.

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Claims

Patentansprüche:

( 1.}Fahrantriebsanordnung, die ein Fahrzeug mit mindestens einem elektrischen Wechselstrommotor und mit einer Akkumulatorbatterie zur Speisung des Motors über einen Wechselrichter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug mit Gliedern (SW, Α-.) zum Anschluß der Wechselstromseite des Wechselrichters an eine ortsfeste Wechselspannungsquelle (TR) zum Laden der Batterie über den Wechselrichter und mit Steuergliedern (CR, JF, IR, F_R bis F„, IX. bis D_T) zur Steuerung des Wechselrichters und damit des Ladestroms während des Ladens der Batterie versehen ist.
2. Fahrantriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter ein selbstkommutierter Wechselrichter ist und daß die Steuerglieder Glieder (D^, D_g, D^,) zur Steuerung der Phasenlage der Wechselrichterspannung relativ zur Spannung der Wechselspannungsquelle (TR) enthalten.
3. Fahrantriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß spannungssteuernde Glieder (P, SPD) zur Steuerung der Ausgangsspannung des Wechselrichters derart angeordnet sind, daß der Blindleistungsfluß zwischen dem Wechselrichter und der Wechselspannungsquelle während des Ladens der Batterie so klein wie möglich ist.

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4. Fahrantriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr eine ortsfeste Wechselspannungsquelle (TR) gehört, die mit mindestens einem Anschlußglied (Ap.., App) versehen ist zum Anschluß des Wechselrichters eines Fahrzeugs zum Laden der Fahrzeugbatterie.
5. Fahrantriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle aus einem primärseitig an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen Transformator (TR) besteht, dessen Sekundärseite mit den Anschlußgliedern (Ap^, Ap₂) verbunden ist.
6. Fahrantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen auf dem Fahrzeug (F) zwischen dem Anschlußglied (A™) und dem Wechselrichter (VR) angeordneten Transformator (TR) enthält.
7. Fahrantriebsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle ein normales Niederspannungsnetz ist.
8. Fahrantriebsanordnung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator derart im Fahrzeug angeordnet 1st, daß er eine erhöhende Wirkung auf die mechanische Stabilität des Fahrzeuges hat.
9. Fahrantriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle in Reihe mit jedem Anschlußglied geschaltete Induktivitäten

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or

(L_1R bis L_1T, L₂₁₁ bis L_2T) enthält.
10. Fahrantriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf dem Fahrzeug (F) zwischen den Anschlußgliedern (A_M) und dem Wechselrichter (VR) angeordnete Induktivitäten (Imo bis L_1T) enthält.

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