一种新型4G车载通信终端的低功耗设计方法

许茜，赵德华，郝铁亮，武翔宇

（华晨汽车集团控股有限公司华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

1　研究背景

根据车辆厂对电气系统的供电要求，部分控制器类零部件，都需要具备睡眠唤醒功能。如带有总线通讯控制，则必须同时具备硬线和总线两种方式的睡眠唤醒功能。具体睡眠时间、唤醒条件，可根据各模块功能需求进行定义。此外，车辆厂对静态电流也有着非常严格的限制，由于车载通信终端（T-Box）使用的车辆电源是常电电源，车辆OFF之后T-Box仍会工作一段时间，这段时间T-Box会与后台继续保持网络连接，以满足车辆实时数据上报的需求，为满足车辆能量管理的需求，OFF时需工作且带高频或低频接收的控制模块，OFF状态下的平均静态电流需小于5mA，因此T-Box的静态电流必须小于5mA。

本文设计了一种低功耗的4G网络制式的车载通信终端，目前车联网领域内为满足车主用户需求，车辆厂设计的带有车联网功能的车辆都会配置在线娱乐及安放服务等功能，由于安放服务所用流量较少，对网络上下行速率、时延等要求不显著，一般2G或3G网络既可以满足车联网安放服务对通信渠道的需求。但由于在线娱乐对网络上下行速率及网络时延的要求较高，因此提供在线娱乐功能的车载通信终端都会选择4G网络制式。车载通信终端中的4G通信模组主要功能包括接打电话、收发短信、接入互联网等，因此需要消耗较大功率。尤其在网络信号差频繁连接网络、连网失败频繁重连及频繁切换网络制式（4G/3G/2G）时，功耗尤为严重。本文引入了一种车载通信终端低功耗模式机制，当车辆熄火后或长期未使用时，可以最大程度降低车用电池耗电量，并满足车辆能量管理的需求。

T-Box在网络信号极差无信号的情况下会持续周期寻网，寻网期间的平均电流约为 57mA，无法满足整车能量管理要求。

图1　4G通信模组无信号状态下电流消耗

由以上图1可以看出：

①在无网络信号差的情况下，4G模组寻网期间的平均电流约为57mA。

②寻网间隔为5s。

③寻网时间受Band配置（即配置为全制式或者单制式，全制式支持4G/3G/2G等多制式）因素影响，不尽相同；目前出厂设置为全制式。

2　一般低功耗设计方法

目前国内外主流车厂对于整车静态电流的要求一般为不超过12 mA，其中T-Box由于其功能及工作条件的特殊性，车厂会预留4-6 mA的静态电流给T-Box，所占整车比重相对较大。目前为满足整车能量管理需求，整车厂及T-Box终端厂家均会采取各种各样的策略来满足整车对静态电流的需求，主要有以下几种方案。

2.1　根据整车SOC荷电状态

SOC（State of Charge）荷电状态,也叫剩余电量，根据电池传感器、发动机管理系统的学习能力，汽车 CAN总线上会得到一个学习后的整车SOC剩余电量值，当T-Box检测到SOC值低于某一特定值后，便立即进入到低功耗模式，此时车辆的远程控制等车联网功能将受到限制，除非车主人为通过硬线或 CAN 线唤醒整车后，车载通信终端才会恢复正常功能使用。

但是由于受到整车其他ECU学习SOC值能力及环境的影响，整车SOC并不准确。除此之外，CAN总线睡眠之后，T-Box无法再接收到CAN总线发出的SOC信号值，若此时车辆持续静置，CAN总线一直睡眠状态，就需要T-Box独自进行计算待机时长，以此来防止车辆静置时间过长而导致馈电。剩余时长计算方法可参照：

SOC 限制=80% 电池容量=60Ah 整车最大消耗=64mA

若 SOC=88%

则剩余时长=（88%-80%）*60Ah/0.064A=72h

此方法不仅依赖于车辆其他 ECU的学习能力，还需要T-Box具有一定的计算能力，仍然无法避免由于外界因素如网络问题而导致的静态电流损耗。

2.2　根据信号强度或功率大小判断

T-Box休眠后若检测到网络异常或无网络，信号强度低于某一特定值持续一段时长后 T-Box就进入低功耗模式，此时无法使用远程控制功能。此方法需要T-Box持续检测信号强度或使用功率，信号强度可正常检测，但功率大小对硬件要求较高，部分终端无法做到。

2.3　根据车辆静置时长判断

车辆静置一定时长后即T-Box 一定时长内未被唤醒，未正常工作过。则立即进入低功耗模式。若单独使用此策略，则由于车辆的电池容量不同，静态电流不同，所处位置网络信号强度不同等原因，无法保证整车能量管理的需求。部分新能源车辆使用此方法。

3　一种优化的低功耗设计方法

正常寻网+飞行模式降低功耗策略，T-Box在进入一级低功耗前，4G模组在3min内进行信号强度判断。信号强度满足需求时，直接进入一级低功耗休眠，远程控制可用，此时暗电流小于5mA。

信号强度无法满足需求时，4G模组切换到飞行模式 4小时；4小时后切换到正常模式寻网，此时判断信号强度3min，重复上述过程；弱信号低电流模式退出时，由于需要开启 Modem，唤醒时间延迟 1-2s左右。在寻网成功后，进行驻网，远程控制可用。

图2　正常寻网+飞行模式降低功耗策略图

当信号正常时，整车休眠触发一级低功耗，4h后 RTC触发T-Box唤醒。弱信号时，整车休眠触发一级低功耗，关闭Modem，4h后RTC触发T-Box唤醒。信号入口判断条件为：

①休眠之前5s检测一次信号强度，持续检测3分钟。

②去掉最大值与最小值，计算3分钟之内平均信号强度。

③平均信号强度小于10。

满足弱信号条件成立，触发4G模块休眠并关闭Modem，进入弱信号低电流模式；

4h后，RTC唤醒4G模块并开启Modem，退出弱信号低电流模式。

经过实车测试验证，此方法无论在信号强度正常的区域还是在信号弱覆盖区域，如停车场、山区等地段，均可实现对整车静态电流的管控，大大减小了T-Box对整车静态电流的影响。实车测试结果如下图3所示，在信号强度正常的区域整车平均静态电流为11.5mA，在信号弱覆盖或无覆盖的区域，T-Box进入飞行模式，此时整车平均静态电流为9.5mA。

图3　整车低功耗模式下耗电量示意图

4　总结

本文旨在解决T-Box在网络信号强度弱或无信号的情形下静态电流过高的问题，设计了一种新型4G车载通信终端低功耗实现方法，具体描述了车载通信终端的能量功耗切换方式，主要可分为一级低功耗模式和飞行模式，包括车辆及车载通信终端在睡眠过程中、睡眠后的低功耗设计方法，解决了车辆设计对车载通信终端的低功耗、低静态电流的要求。本文中的方法具有如下优点：能够满足车辆能量管理低功耗要求；能够满足车辆低静态电流的要求；能够合理管控车联网功能，尤其远程控制功能对车辆静态电流的需求。

[1] 许茜.车联网通信渠道关键技术[J].第十四届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）,2017,7.

[2] 郝铁亮.车联网技术研究[J].汽车实用技术,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] 郝成龙.车联网安全问题分析[J].汽车实用技术,2017,20,139-140.