Photonicat 2 SOC 计算

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。

电压与电量的关系

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 % 电量约 6 mV； 而带负载时内阻压降（I×R）可达几十毫伏，误差会超过 10 %，负载越大偏差越大。

两端则很陡：这张表里 8.34 V 是 100 %、6.34 V 是 0 %。因此固件两端用电压定位， 中间靠电流积分推进。

总体结构

 电量 = 起点电量 − ∫(放电电流)dt + ∫(充电电流)dt

积分需要一个起点，且误差会随时间累积，因此还要配合一套修正机制。 光影猫2 分为以下几层：

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、硬件测量

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，会抹平充电器插拔的电压台阶；

 内阻自学习需要该瞬间台阶，故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

实现细节：

• 先夹再算：抛物线在标定范围外会反向弯（顶点约 +11.7 A），故先把输入夹到

 ±3 A，域外按端点斜率线性延伸。

• int64 运算：x² 最大到 9×10⁶，乘系数后会溢出 int32。
• 55 mA 死区：小于该值按 0 处理，避免待机时噪声累积到账本。

二、库仑积分

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 位累加器。使用 µAs 而非 mAh，可避免定点 除法的舍入误差长期累积。

• 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

在电池接近静置时，用电压反查电量表对积分做小幅修正。触发条件如下， 全部满足才执行：

条件	阈值	说明
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

修正采用加权融合而非直接覆盖：

• 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 %

因此 OCV 只对积分做渐进修正，显示电量不会跳变。

三张 OCV 表

锂电池存在滞回：同一电量下充电时端电压偏高、放电时偏低（约 30 mV/芯， 2S 约 ±60 mV）。固件为此设三张表：

• 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切换。

查表前先去 IR：OCV = 端电压 − I×R_pack，其中内阻取自下面的自学习值。

四、锚点

中段靠积分，两端由锚点直接置位：

• 满电锚点：充电器在位、vbus ≥ 8 V 且电流已很小 → 电量 = 100 %。

 必须要求充电器在位：95 % 的静置 OCV 约 8.16 V，高电量静置电池易被误判为满电；
 劣质或欠压充电器无法充到真满，同样不给锚。

• 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

同一批电池和板子的个体差异可超过 10 %，因此固件为每台机器单独学习 四个量，结果存入 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。满容量若写死，老化后 SOC 会偏乐观。 学习流程：

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

其中 700 mAh 是关机点余量：整机不会把电池放到 0 V，在关机点 （约 6.3–6.45 V）包内仍剩约 700 mAh，需补回。

学到的值换算成健康度：

 健康度 = 学习容量 / 6800 mAh

健康度按 EMA 缓慢融入，单次测量不会使其大幅变化。

5.2 内阻学习（电压台阶法）

内阻由充电器插拔瞬间的电压台阶测得：电流突变 ΔI，电压随之突变 ΔV，

 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。

该值是整包回路电阻 = 电芯本体 + 线缆/接插件（20 mΩ）+ 保护板 MOSFET（15 mΩ）。 去 IR 使用整包串联值，不做扣减；上位机显示"电芯本体内阻"时才减去这 35 mΩ 板级寄生。

5.3 显示空点学习

每台机器的电流计增益与实际容量存在偏差，内部 SOC 归零的时刻与硬件实际断电的 时刻可能不一致（表现为显示尚有 20 % 时断电）。固件不修改电流链路，而是在显示层 套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。

并带向下自纠：放电时电压仍健康（> 6.8 V）而内部 SOC 已低于空点， 说明空点偏高，空点随之下调。换电池或学习过头可在一个放电周期内恢复。

5.4 充电增益学习

充电效率不足 100 %，充入电荷与实际存入电荷存在差异。该增益在满电锚点学习， 变化 ≥1 % 时落盘。

六、温度补偿

板载 NTC 每 200 ms 把温度送入库仑计，用于两项修正：

6.1 内阻温度倍率 k(T)

内阻随温度变化，直接影响去 IR 的准确性。倍率取 NCA 典型温度特性的分段线性近似：

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

即 −20 °C 时内阻约为常温的三倍。学习到的内阻归一到 25 °C，使用时再乘 k(T)。 超出 −20…40 °C 的部分按端点截断。

6.2 低温可用容量补偿

低温下电池可用容量下降（电量并未消失，只是低温下无法取出）。固件据此 把显示空点上移，使显示电量提前走低：

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

内部 SOC 不直接显示，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

因此显示 0 % 时电池仍留有约 4 % 余量（另加空点以下的硬件余量）， 可供保存工作并正常关机；充到 96 % 即显示 100 %。这是消费电子的常规做法。

固件上报的百分比下限钳在 1 %：未关机时不显示 0 %。

八、关机后的电量保持

共三条路径：

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。

• >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 掉电，无法采集电流。固件进睡前记录 RTC 分钟戳， 唤醒后按整机待机约 2.0 mA 恒流扣减。

8.3 换电池识别

电池拔出后 RTC 掉电重置，时间倒退。固件据此判定为换电池，快照作废并重新冷启动估计。 判定留有 10 分钟容差，避免升级重启时误判丢弃有效快照。

九、数据如何到达 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

由于注册为标准子系统，现成 Linux 工具可直接使用，无需了解私有协议：

# 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 即硬件 RTC。板上没有独立 RTC 芯片，MCU 常供电并自行走时， 时间随状态帧上送。驱动将其注册为 rtc_class_ops，标准工具可直接使用：

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

因此断网断电数日后开机时间仍准确。8.3 的换电池识别也依赖它： RTC 掉电重置后时间会倒退。

9.2 用户态守护进程：pcat-manager

内核驱动只处理状态帧中的电源部分。其余 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。 完整协议见 Photonicat 2 MCU 通讯协议。

分工如下：

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

以充电上限为例：网页设置 80 % 后，pcat-manager 通过 UART 下发给 MCU， MCU 存入 data flash 并直接控制充电 MOSFET。自固件 RA2E1260726005 起该设置在 MCU 侧持久化，复位或 OTA 后不丢失；pcat-manager 同时保留镜像，检测到 MCU 重启时重新下发。

十、常见问题

电量偶尔小幅跳动

OCV 融合或锚点正在修正积分漂移。单次修正上限 0.20 %，正常情况下不会出现大跳变；

若出现大跳变，通常是快照过期后走了冷启动重估。

冬天电量下降更快

低温下可用容量下降，同时固件把显示空点上移（−10 °C 约 +8 %）。回暖后恢复。

充到 96 % 即显示 100 %

显示曲线的设定，见第七节。同理显示 0 % 时电池仍有余量。

新电池是否需要校准

不需要专门操作。完整放电一次（满电到自动关机）可让固件学到真实满容量和空点，

日常使用也会逐步学到。

健康度的更新频率

需要一次完整放电窗口（满电锚点 → 欠压），中途充电则本次作废，因此更新较慢，

且按 EMA 缓变。