一種新型4G車載通信終端的低功耗設(shè)計(jì)方法

許茜，趙德華，郝鐵亮，武翔宇

（華晨汽車集團(tuán)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(jù)車輛廠對電氣系統(tǒng)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(shí)具備硬線和總線兩種方式的睡眠喚醒功能。具體睡眠時(shí)間、喚醒條件，可根據(jù)各模塊功能需求進(jìn)行定義。此外，車輛廠對靜態(tài)電流也有著非常嚴(yán)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(huì)工作一段時(shí)間，這段時(shí)間T-Box會(huì)與后臺繼續(xù)保持網(wǎng)絡(luò)連接，以滿足車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)的需求，為滿足車輛能量管理的需求，OFF時(shí)需工作且?guī)Ц哳l或低頻接收的控制模塊，OFF狀態(tài)下的平均靜態(tài)電流需小于5mA，因此T-Box的靜態(tài)電流必須小于5mA。

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗的4G網(wǎng)絡(luò)制式的車載通信終端，目前車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)為滿足車主用戶需求，車輛廠設(shè)計(jì)的帶有車聯(lián)網(wǎng)功能的車輛都會(huì)配置在線娛樂及安放服務(wù)等功能，由于安放服務(wù)所用流量較少，對網(wǎng)絡(luò)上下行速率、時(shí)延等要求不顯著，一般2G或3G網(wǎng)絡(luò)既可以滿足車聯(lián)網(wǎng)安放服務(wù)對通信渠道的需求。但由于在線娛樂對網(wǎng)絡(luò)上下行速率及網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(huì)選擇4G網(wǎng)絡(luò)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(fā)短信、接入互聯(lián)網(wǎng)等，因此需要消耗較大功率。尤其在網(wǎng)絡(luò)信號差頻繁連接網(wǎng)絡(luò)、連網(wǎng)失敗頻繁重連及頻繁切換網(wǎng)絡(luò)制式（4G/3G/2G）時(shí)，功耗尤為嚴(yán)重。本文引入了一種車載通信終端低功耗模式機(jī)制，當(dāng)車輛熄火后或長期未使用時(shí)，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(wǎng)絡(luò)信號極差無信號的情況下會(huì)持續(xù)周期尋網(wǎng)，尋網(wǎng)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(tài)下電流消耗

由以上圖1可以看出：

①在無網(wǎng)絡(luò)信號差的情況下，4G模組尋網(wǎng)期間的平均電流約為57mA。

②尋網(wǎng)間隔為5s。

③尋網(wǎng)時(shí)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(shè)置為全制式。

2　一般低功耗設(shè)計(jì)方法

目前國內(nèi)外主流車廠對于整車靜態(tài)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(huì)預(yù)留4-6 mA的靜態(tài)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(huì)采取各種各樣的策略來滿足整車對靜態(tài)電流的需求，主要有以下幾種方案。

2.1　根據(jù)整車SOC荷電狀態(tài)

SOC（State of Charge）荷電狀態(tài),也叫剩余電量，根據(jù)電池傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力，汽車 CAN總線上會(huì)得到一個(gè)學(xué)習(xí)后的整車SOC剩余電量值，當(dāng)T-Box檢測到SOC值低于某一特定值后，便立即進(jìn)入到低功耗模式，此時(shí)車輛的遠(yuǎn)程控制等車聯(lián)網(wǎng)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(huì)恢復(fù)正常功能使用。

但是由于受到整車其他ECU學(xué)習(xí)SOC值能力及環(huán)境的影響，整車SOC并不準(zhǔn)確。除此之外，CAN總線睡眠之后，T-Box無法再接收到CAN總線發(fā)出的SOC信號值，若此時(shí)車輛持續(xù)靜置，CAN總線一直睡眠狀態(tài)，就需要T-Box獨(dú)自進(jìn)行計(jì)算待機(jī)時(shí)長，以此來防止車輛靜置時(shí)間過長而導(dǎo)致饋電。剩余時(shí)長計(jì)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(shí)長=（88%-80%）*60Ah/0.064A=72h

此方法不僅依賴于車輛其他 ECU的學(xué)習(xí)能力，還需要T-Box具有一定的計(jì)算能力，仍然無法避免由于外界因素如網(wǎng)絡(luò)問題而導(dǎo)致的靜態(tài)電流損耗。

2.2　根據(jù)信號強(qiáng)度或功率大小判斷

T-Box休眠后若檢測到網(wǎng)絡(luò)異?；驘o網(wǎng)絡(luò)，信號強(qiáng)度低于某一特定值持續(xù)一段時(shí)長后 T-Box就進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)無法使用遠(yuǎn)程控制功能。此方法需要T-Box持續(xù)檢測信號強(qiáng)度或使用功率，信號強(qiáng)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(jù)車輛靜置時(shí)長判斷

車輛靜置一定時(shí)長后即T-Box 一定時(shí)長內(nèi)未被喚醒，未正常工作過。則立即進(jìn)入低功耗模式。若單獨(dú)使用此策略，則由于車輛的電池容量不同，靜態(tài)電流不同，所處位置網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)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(yōu)化的低功耗設(shè)計(jì)方法

正常尋網(wǎng)+飛行模式降低功耗策略，T-Box在進(jìn)入一級低功耗前，4G模組在3min內(nèi)進(jìn)行信號強(qiáng)度判斷。信號強(qiáng)度滿足需求時(shí)，直接進(jìn)入一級低功耗休眠，遠(yuǎn)程控制可用，此時(shí)暗電流小于5mA。

信號強(qiáng)度無法滿足需求時(shí)，4G模組切換到飛行模式 4小時(shí)；4小時(shí)后切換到正常模式尋網(wǎng)，此時(shí)判斷信號強(qiáng)度3min，重復(fù)上述過程；弱信號低電流模式退出時(shí)，由于需要開啟 Modem，喚醒時(shí)間延遲 1-2s左右。在尋網(wǎng)成功后，進(jìn)行駐網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制可用。

圖2　正常尋網(wǎng)+飛行模式降低功耗策略圖

當(dāng)信號正常時(shí)，整車休眠觸發(fā)一級低功耗，4h后 RTC觸發(fā)T-Box喚醒。弱信號時(shí)，整車休眠觸發(fā)一級低功耗，關(guān)閉Modem，4h后RTC觸發(fā)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(qiáng)度，持續(xù)檢測3分鐘。

②去掉最大值與最小值，計(jì)算3分鐘之內(nèi)平均信號強(qiáng)度。

③平均信號強(qiáng)度小于10。

滿足弱信號條件成立，觸發(fā)4G模塊休眠并關(guān)閉Modem，進(jìn)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(jīng)過實(shí)車測試驗(yàn)證，此方法無論在信號強(qiáng)度正常的區(qū)域還是在信號弱覆蓋區(qū)域，如停車場、山區(qū)等地段，均可實(shí)現(xiàn)對整車靜態(tài)電流的管控，大大減小了T-Box對整車靜態(tài)電流的影響。實(shí)車測試結(jié)果如下圖3所示，在信號強(qiáng)度正常的區(qū)域整車平均靜態(tài)電流為11.5mA，在信號弱覆蓋或無覆蓋的區(qū)域，T-Box進(jìn)入飛行模式，此時(shí)整車平均靜態(tài)電流為9.5mA。

圖3　整車低功耗模式下耗電量示意圖

4　總結(jié)

本文旨在解決T-Box在網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度弱或無信號的情形下靜態(tài)電流過高的問題，設(shè)計(jì)了一種新型4G車載通信終端低功耗實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)方法，解決了車輛設(shè)計(jì)對車載通信終端的低功耗、低靜態(tài)電流的要求。本文中的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：能夠滿足車輛能量管理低功耗要求；能夠滿足車輛低靜態(tài)電流的要求；能夠合理管控車聯(lián)網(wǎng)功能，尤其遠(yuǎn)程控制功能對車輛靜態(tài)電流的需求。

[1] 許茜.車聯(lián)網(wǎng)通信渠道關(guān)鍵技術(shù)[J].第十四屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（理工農(nóng)醫(yī)）,2017,7.

[2] 郝鐵亮.車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017,20,141-143.

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