Photonicat 2 SOC 计算

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C2h2​（留言 | 贡献）2026年7月26日 (日) 17:25的版本 （Point cross-links at the renamed SOC pages directly instead of via redirects）
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光影猫2 不靠"看电压猜电量"，而是用一套完整的库仑计（Coulomb counter，又叫电量计 / fuel gauge）来算电量：像给电池装了一个水表， 进出的每一毫安秒都记账。

本页讲清楚这套系统怎么工作——从硬件怎么测，到固件怎么积分、怎么自学习、 怎么做温度补偿，再到 Linux 内核怎么把它变成 sysfs 文件。

指示灯说明见 Photonicat 2 LED 指示灯，sysfs 路径见 Photonicat 2 sysfs。 English: Photonicat 2 SOC Calculation。

为什么不能只看电压

这是所有电量计要解决的第一个问题。锂电池的"电压—电量"曲线中段非常平。 下面取固件里的放电 OCV 表（去 IR 后的整包电压）：

整包 OCV（开路电压） 对应电量
7.58 V 70 %
7.50 V 60 %
7.44 V 50 %
7.36 V 40 %
7.28 V 30 %

从 70 % 掉到 30 %，电压只降了 0.30 V——平均每 1 % 电量只对应约 6 mV。而电池一带负载，内阻上的压降（I×R）轻松就有几十毫伏。也就是说： 只看电压，误差可以轻松超过 10 %，而且负载越大错得越离谱。

反过来，两端却很陡：这张表里 8.34 V 是 100 %、6.34 V 是 0 %。所以正确做法是 两端用电压定位，中间靠积分推进——这正是下面这套系统在做的事。

一句话原理

 电量 = 起点电量 − ∫(放电电流)dt + ∫(充电电流)dt

积分本身很准（电流测得准的话），但有两个毛病：起点从哪来，以及 误差会累积。所以真正的电量计 = 积分 + 一套修正机制。光影猫2 的做法是：

层 作用
硬件测量 TPA626 每 100 ms 测一次电压/电流
库仑积分 每 200 ms 把电流累加进 µAs 账本
OCV 融合 静置时用电压表反查电量，轻轻拉回积分漂移
锚点 充满 / 欠压时直接把电量钉死到 100 % / 0 %
自学习 满容量、内阻、空点、充电增益，每台机器各学各的
温度补偿 冷天内阻变大、可用容量变少，都要修正
显示层 把内部电量映射成用户看到的 1–100 %

一、硬件：怎么测

测量芯片是 TPA626（I²C 电流/电压监测器，与 INA226 同类）。它串一个 毫欧级采样电阻在电池回路上，测电阻两端压降换算电流，同时测总线电压。

  • 采样周期：约 100 ms 一次（VD1_Collect）
  • 中值滤波：电压和电流各过一个中值滤波器，滤掉 I²C 偶发抖动和负载尖峰
  • 原始值另存一份：中值滤波有约 3 s 滞后，会把"充电器插拔的电压台阶"
 抹平，而内阻自学习恰恰要看这个瞬间台阶，所以固件同时保留未滤波的原始值

电流校准

采样电阻和运放都有个体误差，出厂靠精密万用表实测标定，拟合成二次多项式： 

 I_真实(mA) = C2·x² + C1·x + C0

当前系数（2026-07-24 二轮标定，四点残差 ≤3 mA）：

项 值 说明
C2 −4.444×10⁻⁵ 二次项，修大电流段的非线性
C1 1.0411 一次项（增益）
C0 +20 mA（放电）/ 0 mA（充电） 零点偏移，分方向

几个工程细节值得一提：

  • 先夹再算：抛物线在标定范围外会"反向弯"（顶点约 +11.7 A），所以先把
 输入夹到 ±3 A，域外按端点斜率线性延伸，不让二次项跑飞。
  • int64 运算：x² 最大到 9×10⁶，乘上系数会溢出 int32。
  • 55 mA 死区：小于这个值直接当 0，避免待机时账本被噪声慢慢推歪。

二、库仑积分：账本

每 200 ms 调一次 coulomb_counter_update()，把电流乘以时间 累加进一个 µAs（微安秒）的 64 位账本。用 µAs 而不是 mAh 是为了避免定点 除法的舍入误差在长时间运行后累积。

  • 放电减、充电加
  • 电流绝对值小于 30 mA 的部分不计入（死区，防噪声漂移）
  • 充电方向另有一个自学习的增益系数（充电效率不是 100 %）

三、OCV 融合：把漂移拉回来

积分误差会累积，所以在电池接近静置时，用电压反查电量表来轻轻纠正。

触发条件很严格，因为静置判断错了反而会把正确的积分带偏：

条件 阈值 为什么
电流足够小 |I| ≤ 340 mA（约 0.05C） 电流大时内阻压降的模型误差会放大
持续足够久 ≥ 30 s 让极化电压和表面电荷弛豫掉
电压变化率 ≤ 20 mV/s 还在动态过程中就不算静置
电流变化率 ≤ 2000 mA/s 同上
插拔宽限期 10 s 充电器刚插拔，电压还没稳

满足后也不是直接覆盖，而是加权融合：

  • 权重上限 α = 0.07（OCV 最多只占 7 %），且在 8 s 内从 0 线性爬升
  • 单次修正最多 0.20 %

换句话说，OCV 是"温柔地把积分往回拽"，而不是"一把拽过去"——这样用户看到的 电量不会跳变。

三张 OCV 表

锂电池有滞回现象：同样的电量，充电时端电压偏高、放电时偏低（约 30 mV/芯，2S 约 ±60 mV）。所以固件带三张表：

  • 放电表：进入放电模式（|I| > 900 mA）时用
  • 充电表：进入充电模式时用
  • 静置表（REST）：充放两表的平均，小电流（|I| ≤ 600 mA）时用

模式切换带滞回（进 900 mA / 出 600 mA），避免在阈值附近反复横跳。

查表前还要先去 IR：OCV = 端电压 − I×R_pack，用的就是下面自学习到的内阻。

四、锚点：两端归位

中段靠积分，两端靠锚点直接钉死：

  • 满电锚点：充电器在位、且 vbus ≥ 8 V、且电流已经很小 → 电量 = 100 %。
 要求充电器在位是有原因的：95 % 的静置 OCV 约 8.16 V，一块高电量的
 电池静置着很容易被误判成满电。劣质或欠压的充电器推不到真满，也不给锚。
  • 欠压锚点：放到欠压关机点 → 电量 = 0 %，同时触发空点学习。

五、自学习：每台机器都不一样

这是这套系统最有意思的部分。同一批电池、同一批板子，个体差异也能有 10 % 以上。所以固件会为每台机器单独学习四个量，学到的值存进 data flash， 掉电不丢。

5.1 满容量学习（电池老化）

标称 6800 mAh 的电池，用两年可能只剩 5500 mAh。如果满容量写死，老化后 SOC 就会偏乐观——显示还有电，实际已经关机了。

学习方法：

  1. 满电锚点触发时开窗口，累计放电清零
  2. 一路放电到欠压关机点
  3. 满容量 = 累计放出的电量 + 700 mAh
  4. 中途检测到充电 → 本次窗口作废

那个 700 mAh 是关键：整机不会把电池放到真正的 0 V，在关机点 （约 6.3–6.45 V）时电池包里还剩约 700 mAh 没放出来，必须补回去。

学到的值还会换算成健康度： 

 健康度 = 学习容量 / 6800 mAh

健康度采用 EMA 缓慢融入（Apple 式缓变），不会因为一次测量就跳水。

5.2 内阻学习（电压台阶法）

去 IR 计算需要知道内阻。固件用一个很巧的办法：充电器插拔的瞬间， 电流突变 ΔI，电压随之突变 ΔV，那么 

 R = ΔV / ΔI

条件：电压 > 7.8 V（近满电区，否则 OCV 本身会随电量移动而测不准）、 电流台阶 ≥ 300 mA、电压台阶 ≥ 15 mV。测量结果按 3/10 的权重 EMA 融入， 范围限制在 10–200 mΩ，默认值 50 mΩ。

注意这测到的是整包回路电阻 = 电芯本体 + 线缆/接插件（20 mΩ）+ 保护板 MOSFET（15 mΩ）。去 IR 需要的正是这个整包串联值，不做扣减； 上位机若要显示"电芯本体内阻"，才减掉那 35 mΩ 的板级寄生。

5.3 显示空点学习

实测踩过的坑：显示还有 20 % 时整机突然断电。原因是每台机器的电流计 增益和实际容量都有偏差，内部 SOC 到 0 的那一刻和硬件真正撑不住的那一刻对不齐。

解法不是去改电流链路（那会引入新的误差），而是在显示层加一个 每台机器自学习的线性映射： 

 显示值 = (内部SOC − 空点) × 100 / (100 − 空点)

空点（empty）= 上一次"电池真的没电了"时的内部 SOC。学习事件包括： 低压关机命令、低压下主机意外死机、欠压锚点。

还有向下自纠：如果放电时电压还很健康（> 6.8 V）但内部 SOC 已经低于 空点，说明空点学高了，就让空点跟着降。这样换了新电池或学过头，都能在一个 放电周期内自愈。

5.4 充电增益学习

充电效率不是 100 %，充进去的电荷和实际存住的电荷有差异。这个增益在满电 锚点时学习，变化 ≥1 % 才落盘。

六、温度补偿

锂电池怕冷。板载 NTC 每 200 ms 把温度喂给库仑计，做两件事：

6.1 内阻温度倍率 k(T)

内阻随温度显著变化，直接影响去 IR 的准确性：

温度 内阻倍率 k(T)
−20 °C ×3.00
−10 °C ×2.30
0 °C ×1.80
10 °C ×1.35
25 °C ×1.00（基准）
40 °C ×0.85

也就是说 −20 °C 时内阻是常温的三倍。学习到的内阻归一在 25 °C 域， 用的时候再乘 k(T)。

6.2 低温可用容量补偿

冷天电池的可用容量会缩水——不是电"没了"，而是低温下拿不出来。固件的处理是 把显示空点上移，让显示电量提前走低，用户就不会在 −10 °C 的户外被 "还有 15 %"骗了：

温度 空点上移
≥ 15 °C 0（不补偿）
0 °C 约 +4 %
−10 °C 约 +8 %
≤ −20 °C +12 %（封顶）

NTC 读数超出 −30…70 °C 视为故障，保持上一次有效温度（初值 25 °C）。

七、显示曲线：为什么是"特斯拉式"

内部算出来的 SOC 不会直接给用户看，中间还有一层映射：

  • 4 % → 显示 1 %
  • 96 % → 显示 100 %
  • 中段线性（斜率 99/92），两端截断

这样做的意思是：显示到 0 % 时，电池里其实还留着约 4 % 的余量 （再加上空点以下的硬件余量），用户有时间保存工作、正常关机。同理，充到 96 % 就显示 100 %，避免用户盯着最后几个百分点焦虑——这些都是消费电子的 常规做法。

另外固件上报的百分比下限钳在 1 %：只要还没关机，就不显示 0 %。

八、关机之后：电量怎么不丢

这是很多电量计做不好的地方。光影猫2 有三条路径：

8.1 SOC 快照

运行时 SOC 每漂移 ≥5 % 就自动落盘；关机、主机断电、进待机、OTA 复位前 强制落盘并刷新时间戳。

开机恢复策略：

  • ≤12 小时：SOC = 快照 − 2.0 mA × Δt（按待机电流扣减），并禁止
 OCV 重估覆盖。这条修的是"短时重启后 10 % 变 1 %"的老问题。
  • >12 小时：快照过期，走冷启动 OCV 重估。

8.2 深睡放电估计

电池深睡时 TPA626 会掉电，采不到电流。固件在进睡前记下 RTC 分钟戳， 醒来后按整机待机约 2.0 mA 恒流扣减。

8.3 换电池识别

电池拔掉 → RTC 掉电重置 → 时间倒退。固件据此判定"换过电池"，让快照作废， 重新冷启动估计。（这里留了 10 分钟容差，否则升级重启后一条有效快照会被误判 丢掉，SOC 就会出现台阶跳变。）

九、数据怎么到 Linux

MCU 算完，通过 UART 把状态帧发给主机（RK3576）。主机侧有两个消费者：

9.1 内核驱动：photonicat-pm

这是一个 serdev 驱动（990-photonicat-pm-add-driver.patch， 内核 6.12），直接挂在串口上解析状态帧，然后注册成标准 Linux 设备：

  • power_supply 类 → /sys/class/power_supply/battery
  • RTC 类 → /dev/rtc

因为注册的是标准子系统，所以任何现成的 Linux 工具都能直接用， 不需要认识光影猫的私有协议： 

# 电量（%），这就是上面整套算法的最终输出
cat /sys/class/power_supply/battery/capacity

# 电压 µV / 电流 µA / 功率 µW
cat /sys/class/power_supply/battery/voltage_now
cat /sys/class/power_supply/battery/current_now
cat /sys/class/power_supply/battery/power_now

# 能量 µWh：energy_full 是学习到的满容量，对比 energy_full_design 看老化
cat /sys/class/power_supply/battery/energy_now
cat /sys/class/power_supply/battery/energy_full
cat /sys/class/power_supply/battery/energy_full_design

# 充电器在线
cat /sys/class/power_supply/charger/online

MCU 就是硬件 RTC。板子上没有单独的 RTC 芯片——MCU 一直有电，它自己 就在走时，时间随状态帧一起送上来。驱动把它注册成 rtc_class_ops， 于是标准工具直接可用： 

hwclock -r          # 读 MCU 里的时间
hwclock -w          # 把系统时间写回 MCU

这也是为什么断网断电放几天，开机时间还是准的。前面 8.3 讲的 "换电池识别"也是靠它——RTC 掉电重置，时间就会倒退。

9.2 用户态守护进程：pcat-manager

内核驱动只认状态帧里的电源部分。其余的 UART 协议由 pcat-manager 处理： 调制解调器管理、看门狗、开关机策略、按键事件、充电阈值下发、MCU 固件升级等。

分工可以这么理解：

组件 负责
MCU 固件 测量、积分、学习、补偿——所有算法
photonicat-pm（内核） 电源/RTC 数据 → 标准 sysfs 接口
pcat-manager（用户态） 其余协议：调制解调器、看门狗、电源策略、OTA

一个具体例子是充电上限：你在网页里设 80 %，pcat-manager 通过 UART 下发给 MCU，MCU 把它存进 data flash 并直接控制充电 MOSFET。固件 RA2E1260726005 起这个设置在 MCU 侧持久化，MCU 复位或 OTA 之后不会丢； 同时 pcat-manager 也保留一份镜像并在检测到 MCU 重启时重新下发，双保险。

十、常见问题

为什么电量偶尔会"跳一下"？
多半是 OCV 融合或锚点在纠正积分漂移。单次修正被限制在 0.20 %，所以正常情况
你不会看到大跳变；如果出现大跳变，通常是快照过期后走了冷启动重估。
为什么冬天电量掉得快？
两个原因叠加：低温下电池可用容量本来就少，加上固件主动把显示空点上移
（−10 °C 约 +8 %），让你提前知道该充电了。回暖后会恢复。
为什么充到 96 % 就显示 100 %？
显示曲线刻意这么设计的，见第七节。同理显示 0 % 时电池还有余量。
新电池要不要"校准"？
不用刻意做。完整放一次电（从满电放到自动关机）会让固件学到真实满容量和
空点；平时正常使用也会慢慢学到。
健康度多久更新一次？
需要一次完整的放电窗口（满电锚点 → 欠压），中途充电会作废。所以它更新得慢，
而且是 EMA 缓变的，这是刻意的——避免单次误测就让健康度跳水。
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