團體標準《園林機械用18 V鋰離子電池包的通用接口及通訊協(xié)議》(T/CNFMA B024—2022)解讀

李應珍， 楊雪峰， 樊冬溫

(1.國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.全國林業(yè)機械標準化技術委員會秘書處，黑龍江 哈爾濱 150086)

1 標準的制定背景

2020年，在BOSCH和GARDENA(HUSQVARNA)的主導下，多個品牌參與，成立了POWER FOR ALL聯(lián)盟。POWER FOR ALL聯(lián)盟是全球領先制造商的最大跨品牌18 V電池系統(tǒng)之一，可為家庭提供完整的解決方案，POWER FOR ALL聯(lián)盟(聯(lián)盟合作伙伴見圖1)下的同一個18 V電池包可以100%兼容聯(lián)盟下的18 V電器，能為居家和園林提供各種豐富的應用，還可拓展至諸多工具，不僅節(jié)約空間，而且省錢又環(huán)保。

圖1 POWER FOR ALL聯(lián)盟合作伙伴

“POWER FOR ALL”聯(lián)盟這一綠色環(huán)保、減少白色污染、實現(xiàn)低碳的理念，得到了國內多家企業(yè)的認可。但是經了解，該聯(lián)盟不容許中國企業(yè)作為成員加入其中。為此，寧波大葉園林設備股份有限公司牽頭提出中國組建聯(lián)盟并制定《園林機械用電池包的通用接口及通訊協(xié)議》團體標準的倡議。在2021年春節(jié)期間，中國林業(yè)機械協(xié)會戶外林業(yè)機械標準化技術委員會就此事與國內多家鋰電園林的頭部企業(yè)進行商議，獲得了非常積極的響應，最終形成了由國內外24家企業(yè)組成的團標起草小組，著手進行《園林機械用18 V鋰離子電池包的通用接口及通訊協(xié)議》團體標準的起草及計劃上報工作。標準起草的牽頭單位為寧波大葉園林設備股份有限公司，參加單位有南京泉峰科技有限公司、格力博(江蘇)股份有限公司、寶時得科技(中國)有限公司、浙江亞特電器股份有限公司、浙江白馬實業(yè)有限公司、浙江派尼爾科技股份有限公司、浙江中馬園林機器股份有限公司、浙江卓遠機電科技股份有限公司、浙江煌嘉電器有限公司、浙江三鋒實業(yè)股份有限公司、浙江中堅科技股份有限公司、山東永佳動力股份有限公司、東莞市嘉航實業(yè)有限公司、浙江嘉瑞機械有限公司、江蘇東成工具科技有限公司、永康市茂金園林機械有限公司、山東華盛農業(yè)藥械有限責任公司、廣東科銳智能科技有限公司、寧波伊司達環(huán)保機械股份有限公司、浙江世嘉工具有限公司、富世華全能(常州)機械有限公司、安德烈斯蒂爾動力工具(青島)有限公司、浙江領航機電有限公司。

中國林機協(xié)會于2021年9月18日正式下達了該團標的制定計劃，在中國林機協(xié)會戶外林業(yè)機械標準化技術委員會秘書處的牽頭下，開始了該團標的制定。起草小組開展了多次視頻研討，并進行了十多個版本的草案稿修改，在2022年3月形成了標準的征求意見稿，經過全國范圍的征求意見以及審定會審議，形成了最終的報批稿。2022年8月31日，中國林業(yè)機械協(xié)會批準發(fā)布了團體標準《園林機械用18 V鋰離子電池包的通用接口及通訊協(xié)議》[1]，標準編號為T/CNFMA B024—2022，該標準于2022年11月1日起實施。

2 標準的主要技術內容

2.1 標準的范圍

T/CNFMA B024—2022規(guī)定了園林機械用標稱電壓為18 V鋰離子電池包的通用接口結構尺寸要求、硬件設計要求、通訊協(xié)議、可互換性測試及“通用·共享”標志，以及與標稱電壓為18 V的鋰離子電池包適配的充電器、園林機械主機的通訊協(xié)議的內容。

2.2 接口結構尺寸要求

電池包的接口結構尺寸為T/CNFMA B024—2022的核心之一，也是其他技術內容的基礎。為了避免尺寸過于離散，首先在負責起草單位提出的草案基礎上研究確定“接口尺寸方案”，由產品市場占有率較高的六家企業(yè)組成接口尺寸方案工作組，召開五次視頻會議后，最終確定了尺寸方案，該尺寸方案由負責起草單位進行了實際樣品的驗證，確認最終的尺寸方案合理可行。接口結構尺寸分為電池包外形尺寸、接口鎖扣尺寸、接口滑槽尺寸及接口母槽尺寸，詳見圖2～5、表1。

圖2 電池包外形尺寸

圖3 接口鎖扣尺寸

圖4 接口滑槽尺寸

圖5 接口母插槽尺寸

表1 接口結構尺寸

2.3 接口的硬件設計要求

接口尺寸確定后，還需規(guī)定接口端子的硬件設計要求。硬件設計主要從三個方面來規(guī)定：電池包接口端子的設計要求、接口的電路框圖及接口電路圖。電池包接口端子的設計要求規(guī)定了電池包接口各端子的位置、名稱及其定義(見圖6和表2)。電池包接口的電路框圖如圖7所示，接口的電路圖則分別給出了C端口和T端口的電路圖。

圖6 電池包接口端子

表2 電池包接口端子

2.4 通訊協(xié)議

通訊協(xié)議主要包括通訊協(xié)議基本要求、通訊協(xié)議數(shù)據(jù)包的設計要求及通訊協(xié)議的執(zhí)行邏輯與保護機制四方面的內容：

(1) 通訊協(xié)議基本要求主要從通訊端口的數(shù)據(jù)收發(fā)方式、通訊速率、通訊周期、通訊格式四個方面作出了統(tǒng)一的規(guī)定。

(2) 通訊協(xié)議數(shù)據(jù)包分為：握手數(shù)據(jù)包、運行數(shù)據(jù)包和響應數(shù)據(jù)包。其中握手數(shù)據(jù)包和運行數(shù)據(jù)包由電池包發(fā)送給工具或充電器，響應數(shù)據(jù)包由工具或充電器發(fā)送給電池包。三種數(shù)據(jù)包格式均為：幀頭+數(shù)據(jù)+校驗和(累加和取反加1)。三種數(shù)據(jù)包的具體格式要求見表3～表6。各字節(jié)應滿足的要求也在該標準中進行了具體的規(guī)定和闡述。

圖7 電池包接口的電路框圖

表3 握手數(shù)據(jù)包格式

表4 運行數(shù)據(jù)包格式

表5 工具發(fā)送的響應數(shù)據(jù)包格式

表6 充電器發(fā)送的響應數(shù)據(jù)包格式

(3) T/CNFMA B024—2022中規(guī)定電池包和工具、充電器通訊協(xié)議的執(zhí)行邏輯采用帶軟件和可編程單片機MCU的BMS方案(俗稱軟件方案)。與之相對應的是采用無MCU不可編程(可能帶IC)的方案(俗稱硬件方案)。相比功能單一、只有過充保護的硬件方案，軟件方案具有功能豐富、可定義通訊協(xié)議、確保放電和充電安全的特點，不過軟件方案價格比硬件方案價格稍高。該標準中以流程圖的形式，給出了電池包與工具通訊協(xié)議的執(zhí)行邏輯，以及電池包與充電器通訊協(xié)議的執(zhí)行邏輯。

(4)符合T/CNFMA B024—2022規(guī)定的電池包、充電器和工具均自帶程序和MCU，電池包與工具、電池包與充電器通過通訊協(xié)議握手后，相互發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)議中電池包狀態(tài)字節(jié)的每一位均應表示電池包的不同狀態(tài)，該狀態(tài)應由電池包程序識別，來判斷其自身是否過流、過充、過放、高溫、低溫[2]。但是因為電池包生產廠家的設計方案、電芯、材質、散熱能力等等的不同，導致每一個廠家的電池包的電流、電壓、溫度等的值都不一定相同，所以在放電狀態(tài)下，不同的制造商可根據(jù)自身需求去設置不同的溫度保護閾值。保護機制即為由電池包的程序自己判斷是否過流、過充、過放、高溫、低溫等，并將這些狀態(tài)發(fā)給電動工具、充電器；而工具、充電器可以根據(jù)這些狀態(tài)值來關斷放電或充電。當然，滿足該保護機制的前提是電池包、工具、充電器均能滿足IEC 62841-1[3]的規(guī)定。

T/CNFMA B024—2022中給出了“標準保護機制”和“雙重保護機制”這兩種保護機制[4]的執(zhí)行要求，并對保護機制中的“放電過流保護”“充電過流保護”“放電欠壓保護”“充電過壓保護”“放電溫度保護”“充電溫度保護”進行了具體的規(guī)定。

2.5 可互換性測試及安全測試

符合可互換性測試是保證T/CNFMA B024—2022能夠安全實施的基礎。根據(jù)目前電動工具在認證測試方面的經驗，一般都需要對電池包和具體的電動工具、充電器進行相匹配的充電、放電測試，才能確保安全性。而T/CNFMA B024—2022在實施過程中，不可能要求對不同廠家的電池包、工具、充電器進行匹配性測試，因此，T/CNFMA B024—2022規(guī)定電池包、充電器及工具的安全性由IEC62841-1規(guī)定，然后通過模擬公插腳適配性測試以檢驗充、放電時電池包的通訊是否正確。T/CNFMA B024—2022中給出了模擬公插腳的結構及其尺寸的具體要求(見圖8及表7)。

圖8 模擬公插腳結構尺寸

表7 模擬公插腳結構尺寸

2.6 “通用·共享”標志

“通用·共享”標志為互認標識，即只有電池包、電動工具、充電器符合IEC62841-1(即取得CE或UL證書)，并滿足T/CNFMA B024—2022的規(guī)定，才可以在產品上打上該標貼；凡是貼有該標志的電池包、電動工具、充電器都可以互插使用。

根據(jù)主要起草單位提交的“通用·共享”標志設計方案，起草小組通過協(xié)商最終商定采用較簡潔的“通用·共享”標志圖案(見圖9)。該“通用·共享”標志基本含義：

圖9 “通用·共享”標志

(a)綠色代表綠色可持續(xù)發(fā)展能源；

(b)標志內部為一節(jié)電池的形狀；

(c)18 V代表18 V電壓平臺；

(d)“通用.共享”突出電池包的通用和共享屬性；

(e)“CNFMA”為中國林業(yè)機械協(xié)會的英文縮寫。

3 應用展望

T/CNFMA B024—2022的實施將為實現(xiàn)園林機械用18 V鋰離子電池包及與其整機接口的標準化生產，實現(xiàn)諸多以18 V鋰電為動力的園林機械產品和其他類工具池包的標準化生產，促使“不同品牌電池和充電器實現(xiàn)互換”的目標成為現(xiàn)實，對促進綠色生產、節(jié)約能源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護發(fā)揮積極的作用[5]；對進一步規(guī)范接口的規(guī)范性、統(tǒng)一性、科學性，增強以18 V鋰離子電池為動力源的園林機械及電動工具產品的國內外核心影響力具有重要意義；將對采用中國標準規(guī)范產品研制、生產和18 V鋰電產品的國際貿易形成一定的國際影響力。

中國林業(yè)機械協(xié)會戶外林業(yè)機械標準化技術委員會將會同有關部門和單位做好該項團體標準的宣傳推廣工作，加強引導推動標準落地實施，也將視實施情況適時制定和發(fā)布該團標的英文版，以便更多的外國公司的產品進入中國市場使用，同時爭取在國際市場上能被更多的企業(yè)和用戶認可，真正為實現(xiàn)低碳、綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。