李應(yīng)珍， 楊雪峰， 樊冬溫

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.全國(guó)林業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處，黑龍江 哈爾濱 150086)

1 標(biāo)準(zhǔn)的制定背景

2020年，在BOSCH和GARDENA(HUSQVARNA)的主導(dǎo)下，多個(gè)品牌參與，成立了POWER FOR ALL聯(lián)盟。POWER FOR ALL聯(lián)盟是全球領(lǐng)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(jiàn)圖1)下的同一個(gè)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(yīng)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(shí)現(xiàn)低碳的理念，得到了國(guó)內(nèi)多家企業(yè)的認(rèn)可。但是經(jīng)了解，該聯(lián)盟不容許中國(guó)企業(yè)作為成員加入其中。為此，寧波大葉園林設(shè)備股份有限公司牽頭提出中國(guó)組建聯(lián)盟并制定《園林機(jī)械用電池包的通用接口及通訊協(xié)議》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的倡議。在2021年春節(jié)期間，中國(guó)林業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)戶外林業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)就此事與國(guó)內(nèi)多家鋰電園林的頭部企業(yè)進(jìn)行商議，獲得了非常積極的響應(yīng)，最終形成了由國(guó)內(nèi)外24家企業(yè)組成的團(tuán)標(biāo)起草小組，著手進(jìn)行《園林機(jī)械用18 V鋰離子電池包的通用接口及通訊協(xié)議》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的起草及計(jì)劃上報(bào)工作。標(biāo)準(zhǔn)起草的牽頭單位為寧波大葉園林設(shè)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(shí)得科技(中國(guó))有限公司、浙江亞特電器股份有限公司、浙江白馬實(shí)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(jī)器股份有限公司、浙江卓遠(yuǎn)機(jī)電科技股份有限公司、浙江煌嘉電器有限公司、浙江三鋒實(shí)業(yè)股份有限公司、浙江中堅(jiān)科技股份有限公司、山東永佳動(dòng)力股份有限公司、東莞市嘉航實(shí)業(yè)有限公司、浙江嘉瑞機(jī)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(jī)械有限公司、山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限責(zé)任公司、廣東科銳智能科技有限公司、寧波伊司達(dá)環(huán)保機(jī)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(jī)械有限公司、安德烈斯蒂爾動(dòng)力工具(青島)有限公司、浙江領(lǐng)航機(jī)電有限公司。

中國(guó)林機(jī)協(xié)會(huì)于2021年9月18日正式下達(dá)了該團(tuán)標(biāo)的制定計(jì)劃，在中國(guó)林機(jī)協(xié)會(huì)戶外林業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處的牽頭下，開(kāi)始了該團(tuán)標(biāo)的制定。起草小組開(kāi)展了多次視頻研討，并進(jìn)行了十多個(gè)版本的草案稿修改，在2022年3月形成了標(biāo)準(zhǔn)的征求意見(jiàn)稿，經(jīng)過(guò)全國(guó)范圍的征求意見(jiàn)以及審定會(huì)審議，形成了最終的報(bào)批稿。2022年8月31日，中國(guó)林業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《園林機(jī)械用18 V鋰離子電池包的通用接口及通訊協(xié)議》[1]，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為T/CNFMA B024—2022，該標(biāo)準(zhǔn)于2022年11月1日起實(shí)施。

2 標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的范圍

T/CNFMA B024—2022規(guī)定了園林機(jī)械用標(biāo)稱電壓為18 V鋰離子電池包的通用接口結(jié)構(gòu)尺寸要求、硬件設(shè)計(jì)要求、通訊協(xié)議、可互換性測(cè)試及“通用·共享”標(biāo)志，以及與標(biāo)稱電壓為18 V的鋰離子電池包適配的充電器、園林機(jī)械主機(jī)的通訊協(xié)議的內(nèi)容。

2.2 接口結(jié)構(gòu)尺寸要求

電池包的接口結(jié)構(gòu)尺寸為T/CNFMA B024—2022的核心之一，也是其他技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)。為了避免尺寸過(guò)于離散，首先在負(fù)責(zé)起草單位提出的草案基礎(chǔ)上研究確定“接口尺寸方案”，由產(chǎn)品市場(chǎng)占有率較高的六家企業(yè)組成接口尺寸方案工作組，召開(kāi)五次視頻會(huì)議后，最終確定了尺寸方案，該尺寸方案由負(fù)責(zé)起草單位進(jìn)行了實(shí)際樣品的驗(yàn)證，確認(rèn)最終的尺寸方案合理可行。接口結(jié)構(gòu)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(jiàn)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(jié)構(gòu)尺寸

2.3 接口的硬件設(shè)計(jì)要求

接口尺寸確定后，還需規(guī)定接口端子的硬件設(shè)計(jì)要求。硬件設(shè)計(jì)主要從三個(gè)方面來(lái)規(guī)定：電池包接口端子的設(shè)計(jì)要求、接口的電路框圖及接口電路圖。電池包接口端子的設(shè)計(jì)要求規(guī)定了電池包接口各端子的位置、名稱及其定義(見(jiàn)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(shè)計(jì)要求及通訊協(xié)議的執(zhí)行邏輯與保護(hù)機(jī)制四方面的內(nèi)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(gè)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?jǐn)?shù)據(jù)包、運(yùn)行數(shù)據(jù)包和響應(yīng)數(shù)據(jù)包。其中握手?jǐn)?shù)據(jù)包和運(yùn)行數(shù)據(jù)包由電池包發(fā)送給工具或充電器，響應(yīng)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(yàn)和(累加和取反加1)。三種數(shù)據(jù)包的具體格式要求見(jiàn)表3～表6。各字節(jié)應(yīng)滿足的要求也在該標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)包格式

表4 運(yùn)行數(shù)據(jù)包格式

表5 工具發(fā)送的響應(yīng)數(shù)據(jù)包格式

表6 充電器發(fā)送的響應(yīng)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(jī)MCU的BMS方案(俗稱軟件方案)。與之相對(duì)應(yīng)的是采用無(wú)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(guò)充保護(hù)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(diǎn)，不過(guò)軟件方案價(jià)格比硬件方案價(jià)格稍高。該標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(yīng)表示電池包的不同狀態(tài)，該狀態(tài)應(yīng)由電池包程序識(shí)別，來(lái)判斷其自身是否過(guò)流、過(guò)充、過(guò)放、高溫、低溫[2]。但是因?yàn)殡姵匕a(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)方案、電芯、材質(zhì)、散熱能力等等的不同，導(dǎo)致每一個(gè)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(shè)置不同的溫度保護(hù)閾值。保護(hù)機(jī)制即為由電池包的程序自己判斷是否過(guò)流、過(guò)充、過(guò)放、高溫、低溫等，并將這些狀態(tài)發(fā)給電動(dòng)工具、充電器；而工具、充電器可以根據(jù)這些狀態(tài)值來(lái)關(guān)斷放電或充電。當(dāng)然，滿足該保護(hù)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)保護(hù)機(jī)制”和“雙重保護(hù)機(jī)制”這兩種保護(hù)機(jī)制[4]的執(zhí)行要求，并對(duì)保護(hù)機(jī)制中的“放電過(guò)流保護(hù)”“充電過(guò)流保護(hù)”“放電欠壓保護(hù)”“充電過(guò)壓保護(hù)”“放電溫度保護(hù)”“充電溫度保護(hù)”進(jìn)行了具體的規(guī)定。

2.5 可互換性測(cè)試及安全測(cè)試

符合可互換性測(cè)試是保證T/CNFMA B024—2022能夠安全實(shí)施的基礎(chǔ)。根據(jù)目前電動(dòng)工具在認(rèn)證測(cè)試方面的經(jīng)驗(yàn)，一般都需要對(duì)電池包和具體的電動(dòng)工具、充電器進(jìn)行相匹配的充電、放電測(cè)試，才能確保安全性。而T/CNFMA B024—2022在實(shí)施過(guò)程中，不可能要求對(duì)不同廠家的電池包、工具、充電器進(jìn)行匹配性測(cè)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(guò)模擬公插腳適配性測(cè)試以檢驗(yàn)充、放電時(shí)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(jié)構(gòu)及其尺寸的具體要求(見(jiàn)圖8及表7)。

圖8 模擬公插腳結(jié)構(gòu)尺寸

表7 模擬公插腳結(jié)構(gòu)尺寸

2.6 “通用·共享”標(biāo)志

“通用·共享”標(biāo)志為互認(rèn)標(biāo)識(shí)，即只有電池包、電動(dòng)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(chǎn)品上打上該標(biāo)貼；凡是貼有該標(biāo)志的電池包、電動(dòng)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(biāo)志設(shè)計(jì)方案，起草小組通過(guò)協(xié)商最終商定采用較簡(jiǎn)潔的“通用·共享”標(biāo)志圖案(見(jiàn)圖9)。該“通用·共享”標(biāo)志基本含義：

圖9 “通用·共享”標(biāo)志

(a)綠色代表綠色可持續(xù)發(fā)展能源；

(b)標(biāo)志內(nèi)部為一節(jié)電池的形狀；

(c)18 V代表18 V電壓平臺(tái)；

(d)“通用.共享”突出電池包的通用和共享屬性；

(e)“CNFMA”為中國(guó)林業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)的英文縮寫。

3 應(yīng)用展望

T/CNFMA B024—2022的實(shí)施將為實(shí)現(xiàn)園林機(jī)械用18 V鋰離子電池包及與其整機(jī)接口的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)諸多以18 V鋰電為動(dòng)力的園林機(jī)械產(chǎn)品和其他類工具池包的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，促使“不同品牌電池和充電器實(shí)現(xiàn)互換”的目標(biāo)成為現(xiàn)實(shí)，對(duì)促進(jìn)綠色生產(chǎn)、節(jié)約能源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮積極的作用[5]；對(duì)進(jìn)一步規(guī)范接口的規(guī)范性、統(tǒng)一性、科學(xué)性，增強(qiáng)以18 V鋰離子電池為動(dòng)力源的園林機(jī)械及電動(dòng)工具產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外核心影響力具有重要意義；將對(duì)采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和18 V鋰電產(chǎn)品的國(guó)際貿(mào)易形成一定的國(guó)際影響力。

中國(guó)林業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)戶外林業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)將會(huì)同有關(guān)部門和單位做好該項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的宣傳推廣工作，加強(qiáng)引導(dǎo)推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)落地實(shí)施，也將視實(shí)施情況適時(shí)制定和發(fā)布該團(tuán)標(biāo)的英文版，以便更多的外國(guó)公司的產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)使用，同時(shí)爭(zhēng)取在國(guó)際市場(chǎng)上能被更多的企業(yè)和用戶認(rèn)可，真正為實(shí)現(xiàn)低碳、綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。