一種新型4G車載通信終端的低功耗設計方法

許茜，趙德華，郝鐵亮，武翔宇

（華晨汽車集團控股有限公司華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

1　研究背景

根據車輛廠對電氣系統的供電要求，部分控制器類零部件，都需要具備睡眠喚醒功能。如帶有總線通訊控制，則必須同時具備硬線和總線兩種方式的睡眠喚醒功能。具體睡眠時間、喚醒條件，可根據各模塊功能需求進行定義。此外，車輛廠對靜態電流也有著非常嚴格的限制，由于車載通信終端（T-Box）使用的車輛電源是常電電源，車輛OFF之后T-Box仍會工作一段時間，這段時間T-Box會與后臺繼續保持網絡連接，以滿足車輛實時數據上報的需求，為滿足車輛能量管理的需求，OFF時需工作且帶高頻或低頻接收的控制模塊，OFF狀態下的平均靜態電流需小于5mA，因此T-Box的靜態電流必須小于5mA。

本文設計了一種低功耗的4G網絡制式的車載通信終端，目前車聯網領域內為滿足車主用戶需求，車輛廠設計的帶有車聯網功能的車輛都會配置在線娛樂及安放服務等功能，由于安放服務所用流量較少，對網絡上下行速率、時延等要求不顯著，一般2G或3G網絡既可以滿足車聯網安放服務對通信渠道的需求。但由于在線娛樂對網絡上下行速率及網絡時延的要求較高，因此提供在線娛樂功能的車載通信終端都會選擇4G網絡制式。車載通信終端中的4G通信模組主要功能包括接打電話、收發短信、接入互聯網等，因此需要消耗較大功率。尤其在網絡信號差頻繁連接網絡、連網失敗頻繁重連及頻繁切換網絡制式（4G/3G/2G）時，功耗尤為嚴重。本文引入了一種車載通信終端低功耗模式機制，當車輛熄火后或長期未使用時，可以最大程度降低車用電池耗電量，并滿足車輛能量管理的需求。

T-Box在網絡信號極差無信號的情況下會持續周期尋網，尋網期間的平均電流約為 57mA，無法滿足整車能量管理要求。

圖1　4G通信模組無信號狀態下電流消耗

由以上圖1可以看出：

①在無網絡信號差的情況下，4G模組尋網期間的平均電流約為57mA。

②尋網間隔為5s。

③尋網時間受Band配置（即配置為全制式或者單制式，全制式支持4G/3G/2G等多制式）因素影響，不盡相同；目前出廠設置為全制式。

2　一般低功耗設計方法

目前國內外主流車廠對于整車靜態電流的要求一般為不超過12 mA，其中T-Box由于其功能及工作條件的特殊性，車廠會預留4-6 mA的靜態電流給T-Box，所占整車比重相對較大。目前為滿足整車能量管理需求，整車廠及T-Box終端廠家均會采取各種各樣的策略來滿足整車對靜態電流的需求，主要有以下幾種方案。

2.1　根據整車SOC荷電狀態

SOC（State of Charge）荷電狀態,也叫剩余電量，根據電池傳感器、發動機管理系統的學習能力，汽車 CAN總線上會得到一個學習后的整車SOC剩余電量值，當T-Box檢測到SOC值低于某一特定值后，便立即進入到低功耗模式，此時車輛的遠程控制等車聯網功能將受到限制，除非車主人為通過硬線或 CAN 線喚醒整車后，車載通信終端才會恢復正常功能使用。

但是由于受到整車其他ECU學習SOC值能力及環境的影響，整車SOC并不準確。除此之外，CAN總線睡眠之后，T-Box無法再接收到CAN總線發出的SOC信號值，若此時車輛持續靜置，CAN總線一直睡眠狀態，就需要T-Box獨自進行計算待機時長，以此來防止車輛靜置時間過長而導致饋電。剩余時長計算方法可參照：

SOC 限制=80% 電池容量=60Ah 整車最大消耗=64mA

若 SOC=88%

則剩余時長=（88%-80%）*60Ah/0.064A=72h

此方法不僅依賴于車輛其他 ECU的學習能力，還需要T-Box具有一定的計算能力，仍然無法避免由于外界因素如網絡問題而導致的靜態電流損耗。

2.2　根據信號強度或功率大小判斷

T-Box休眠后若檢測到網絡異常或無網絡，信號強度低于某一特定值持續一段時長后 T-Box就進入低功耗模式，此時無法使用遠程控制功能。此方法需要T-Box持續檢測信號強度或使用功率，信號強度可正常檢測，但功率大小對硬件要求較高，部分終端無法做到。

2.3　根據車輛靜置時長判斷

車輛靜置一定時長后即T-Box 一定時長內未被喚醒，未正常工作過。則立即進入低功耗模式。若單獨使用此策略，則由于車輛的電池容量不同，靜態電流不同，所處位置網絡信號強度不同等原因，無法保證整車能量管理的需求。部分新能源車輛使用此方法。

3　一種優化的低功耗設計方法

正常尋網+飛行模式降低功耗策略，T-Box在進入一級低功耗前，4G模組在3min內進行信號強度判斷。信號強度滿足需求時，直接進入一級低功耗休眠，遠程控制可用，此時暗電流小于5mA。

信號強度無法滿足需求時，4G模組切換到飛行模式 4小時；4小時后切換到正常模式尋網，此時判斷信號強度3min，重復上述過程；弱信號低電流模式退出時，由于需要開啟 Modem，喚醒時間延遲 1-2s左右。在尋網成功后，進行駐網，遠程控制可用。

圖2　正常尋網+飛行模式降低功耗策略圖

當信號正常時，整車休眠觸發一級低功耗，4h后 RTC觸發T-Box喚醒。弱信號時，整車休眠觸發一級低功耗，關閉Modem，4h后RTC觸發T-Box喚醒。信號入口判斷條件為：

①休眠之前5s檢測一次信號強度，持續檢測3分鐘。

②去掉最大值與最小值，計算3分鐘之內平均信號強度。

③平均信號強度小于10。

滿足弱信號條件成立，觸發4G模塊休眠并關閉Modem，進入弱信號低電流模式；

4h后，RTC喚醒4G模塊并開啟Modem，退出弱信號低電流模式。

經過實車測試驗證，此方法無論在信號強度正常的區域還是在信號弱覆蓋區域，如停車場、山區等地段，均可實現對整車靜態電流的管控，大大減小了T-Box對整車靜態電流的影響。實車測試結果如下圖3所示，在信號強度正常的區域整車平均靜態電流為11.5mA，在信號弱覆蓋或無覆蓋的區域，T-Box進入飛行模式，此時整車平均靜態電流為9.5mA。

圖3　整車低功耗模式下耗電量示意圖

4　總結

本文旨在解決T-Box在網絡信號強度弱或無信號的情形下靜態電流過高的問題，設計了一種新型4G車載通信終端低功耗實現方法，具體描述了車載通信終端的能量功耗切換方式，主要可分為一級低功耗模式和飛行模式，包括車輛及車載通信終端在睡眠過程中、睡眠后的低功耗設計方法，解決了車輛設計對車載通信終端的低功耗、低靜態電流的要求。本文中的方法具有如下優點：能夠滿足車輛能量管理低功耗要求；能夠滿足車輛低靜態電流的要求；能夠合理管控車聯網功能，尤其遠程控制功能對車輛靜態電流的需求。

[1] 許茜.車聯網通信渠道關鍵技術[J].第十四屆沈陽科學學術年會論文集（理工農醫）,2017,7.

[2] 郝鐵亮.車聯網技術研究[J].汽車實用技術,2017,20,141-143.

[3] Timo Sukuvaara, Riika Ylitalo, and Marcos Katz. IEEE 802.11p Based Vehicular Networking Operational Pilot Field Measurement.IEEE, 2013,9.

[4] 郝成龍.車聯網安全問題分析[J].汽車實用技術,2017,20,139-140.