团体标准《园林机械用18 V锂离子电池包的通用接口及通讯协议》(T/CNFMA B024—2022)解读

李应珍， 杨雪峰， 樊冬温

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.全国林业机械标准化技术委员会秘书处，黑龙江 哈尔滨 150086)

1 标准的制定背景

2020年，在BOSCH和GARDENA(HUSQVARNA)的主导下，多个品牌参与，成立了POWER FOR ALL联盟。POWER FOR ALL联盟是全球领先制造商的最大跨品牌18 V电池系统之一，可为家庭提供完整的解决方案，POWER FOR ALL联盟(联盟合作伙伴见图1)下的同一个18 V电池包可以100%兼容联盟下的18 V电器，能为居家和园林提供各种丰富的应用，还可拓展至诸多工具，不仅节约空间，而且省钱又环保。

图1 POWER FOR ALL联盟合作伙伴

“POWER FOR ALL”联盟这一绿色环保、减少白色污染、实现低碳的理念，得到了国内多家企业的认可。但是经了解，该联盟不容许中国企业作为成员加入其中。为此，宁波大叶园林设备股份有限公司牵头提出中国组建联盟并制定《园林机械用电池包的通用接口及通讯协议》团体标准的倡议。在2021年春节期间，中国林业机械协会户外林业机械标准化技术委员会就此事与国内多家锂电园林的头部企业进行商议，获得了非常积极的响应，最终形成了由国内外24家企业组成的团标起草小组，着手进行《园林机械用18 V锂离子电池包的通用接口及通讯协议》团体标准的起草及计划上报工作。标准起草的牵头单位为宁波大叶园林设备股份有限公司，参加单位有南京泉峰科技有限公司、格力博(江苏)股份有限公司、宝时得科技(中国)有限公司、浙江亚特电器股份有限公司、浙江白马实业有限公司、浙江派尼尔科技股份有限公司、浙江中马园林机器股份有限公司、浙江卓远机电科技股份有限公司、浙江煌嘉电器有限公司、浙江三锋实业股份有限公司、浙江中坚科技股份有限公司、山东永佳动力股份有限公司、东莞市嘉航实业有限公司、浙江嘉瑞机械有限公司、江苏东成工具科技有限公司、永康市茂金园林机械有限公司、山东华盛农业药械有限责任公司、广东科锐智能科技有限公司、宁波伊司达环保机械股份有限公司、浙江世嘉工具有限公司、富世华全能(常州)机械有限公司、安德烈斯蒂尔动力工具(青岛)有限公司、浙江领航机电有限公司。

中国林机协会于2021年9月18日正式下达了该团标的制定计划，在中国林机协会户外林业机械标准化技术委员会秘书处的牵头下，开始了该团标的制定。起草小组开展了多次视频研讨，并进行了十多个版本的草案稿修改，在2022年3月形成了标准的征求意见稿，经过全国范围的征求意见以及审定会审议，形成了最终的报批稿。2022年8月31日，中国林业机械协会批准发布了团体标准《园林机械用18 V锂离子电池包的通用接口及通讯协议》[1]，标准编号为T/CNFMA B024—2022，该标准于2022年11月1日起实施。

2 标准的主要技术内容

2.1 标准的范围

T/CNFMA B024—2022规定了园林机械用标称电压为18 V锂离子电池包的通用接口结构尺寸要求、硬件设计要求、通讯协议、可互换性测试及“通用·共享”标志，以及与标称电压为18 V的锂离子电池包适配的充电器、园林机械主机的通讯协议的内容。

2.2 接口结构尺寸要求

电池包的接口结构尺寸为T/CNFMA B024—2022的核心之一，也是其他技术内容的基础。为了避免尺寸过于离散，首先在负责起草单位提出的草案基础上研究确定“接口尺寸方案”，由产品市场占有率较高的六家企业组成接口尺寸方案工作组，召开五次视频会议后，最终确定了尺寸方案，该尺寸方案由负责起草单位进行了实际样品的验证，确认最终的尺寸方案合理可行。接口结构尺寸分为电池包外形尺寸、接口锁扣尺寸、接口滑槽尺寸及接口母槽尺寸，详见图2～5、表1。

图2 电池包外形尺寸

图3 接口锁扣尺寸

图4 接口滑槽尺寸

图5 接口母插槽尺寸

表1 接口结构尺寸

2.3 接口的硬件设计要求

接口尺寸确定后，还需规定接口端子的硬件设计要求。硬件设计主要从三个方面来规定：电池包接口端子的设计要求、接口的电路框图及接口电路图。电池包接口端子的设计要求规定了电池包接口各端子的位置、名称及其定义(见图6和表2)。电池包接口的电路框图如图7所示，接口的电路图则分别给出了C端口和T端口的电路图。

图6 电池包接口端子

表2 电池包接口端子

2.4 通讯协议

通讯协议主要包括通讯协议基本要求、通讯协议数据包的设计要求及通讯协议的执行逻辑与保护机制四方面的内容：

(1) 通讯协议基本要求主要从通讯端口的数据收发方式、通讯速率、通讯周期、通讯格式四个方面作出了统一的规定。

(2) 通讯协议数据包分为：握手数据包、运行数据包和响应数据包。其中握手数据包和运行数据包由电池包发送给工具或充电器，响应数据包由工具或充电器发送给电池包。三种数据包格式均为：帧头+数据+校验和(累加和取反加1)。三种数据包的具体格式要求见表3～表6。各字节应满足的要求也在该标准中进行了具体的规定和阐述。

图7 电池包接口的电路框图

表3 握手数据包格式

表4 运行数据包格式

表5 工具发送的响应数据包格式

表6 充电器发送的响应数据包格式

(3) T/CNFMA B024—2022中规定电池包和工具、充电器通讯协议的执行逻辑采用带软件和可编程单片机MCU的BMS方案(俗称软件方案)。与之相对应的是采用无MCU不可编程(可能带IC)的方案(俗称硬件方案)。相比功能单一、只有过充保护的硬件方案，软件方案具有功能丰富、可定义通讯协议、确保放电和充电安全的特点，不过软件方案价格比硬件方案价格稍高。该标准中以流程图的形式，给出了电池包与工具通讯协议的执行逻辑，以及电池包与充电器通讯协议的执行逻辑。

(4)符合T/CNFMA B024—2022规定的电池包、充电器和工具均自带程序和MCU，电池包与工具、电池包与充电器通过通讯协议握手后，相互发送数据。协议中电池包状态字节的每一位均应表示电池包的不同状态，该状态应由电池包程序识别，来判断其自身是否过流、过充、过放、高温、低温[2]。但是因为电池包生产厂家的设计方案、电芯、材质、散热能力等等的不同，导致每一个厂家的电池包的电流、电压、温度等的值都不一定相同，所以在放电状态下，不同的制造商可根据自身需求去设置不同的温度保护阈值。保护机制即为由电池包的程序自己判断是否过流、过充、过放、高温、低温等，并将这些状态发给电动工具、充电器；而工具、充电器可以根据这些状态值来关断放电或充电。当然，满足该保护机制的前提是电池包、工具、充电器均能满足IEC 62841-1[3]的规定。

T/CNFMA B024—2022中给出了“标准保护机制”和“双重保护机制”这两种保护机制[4]的执行要求，并对保护机制中的“放电过流保护”“充电过流保护”“放电欠压保护”“充电过压保护”“放电温度保护”“充电温度保护”进行了具体的规定。

2.5 可互换性测试及安全测试

符合可互换性测试是保证T/CNFMA B024—2022能够安全实施的基础。根据目前电动工具在认证测试方面的经验，一般都需要对电池包和具体的电动工具、充电器进行相匹配的充电、放电测试，才能确保安全性。而T/CNFMA B024—2022在实施过程中，不可能要求对不同厂家的电池包、工具、充电器进行匹配性测试，因此，T/CNFMA B024—2022规定电池包、充电器及工具的安全性由IEC62841-1规定，然后通过模拟公插脚适配性测试以检验充、放电时电池包的通讯是否正确。T/CNFMA B024—2022中给出了模拟公插脚的结构及其尺寸的具体要求(见图8及表7)。

图8 模拟公插脚结构尺寸

表7 模拟公插脚结构尺寸

2.6 “通用·共享”标志

“通用·共享”标志为互认标识，即只有电池包、电动工具、充电器符合IEC62841-1(即取得CE或UL证书)，并满足T/CNFMA B024—2022的规定，才可以在产品上打上该标贴；凡是贴有该标志的电池包、电动工具、充电器都可以互插使用。

根据主要起草单位提交的“通用·共享”标志设计方案，起草小组通过协商最终商定采用较简洁的“通用·共享”标志图案(见图9)。该“通用·共享”标志基本含义：

图9 “通用·共享”标志

(a)绿色代表绿色可持续发展能源；

(b)标志内部为一节电池的形状；

(c)18 V代表18 V电压平台；

(d)“通用.共享”突出电池包的通用和共享属性；

(e)“CNFMA”为中国林业机械协会的英文缩写。

3 应用展望

T/CNFMA B024—2022的实施将为实现园林机械用18 V锂离子电池包及与其整机接口的标准化生产，实现诸多以18 V锂电为动力的园林机械产品和其他类工具池包的标准化生产，促使“不同品牌电池和充电器实现互换”的目标成为现实，对促进绿色生产、节约能源、实现可持续发展和环境保护发挥积极的作用[5]；对进一步规范接口的规范性、统一性、科学性，增强以18 V锂离子电池为动力源的园林机械及电动工具产品的国内外核心影响力具有重要意义；将对采用中国标准规范产品研制、生产和18 V锂电产品的国际贸易形成一定的国际影响力。

中国林业机械协会户外林业机械标准化技术委员会将会同有关部门和单位做好该项团体标准的宣传推广工作，加强引导推动标准落地实施，也将视实施情况适时制定和发布该团标的英文版，以便更多的外国公司的产品进入中国市场使用，同时争取在国际市场上能被更多的企业和用户认可，真正为实现低碳、绿色环保和可持续发展做出贡献。