Ungünstige Unterspannungseinstellungen bei Multicoptersteuerungen können die Flugzeit stark verkürzen obwohl der Akku noch halb voll ist. Hier werden Lösungen vorgestellt.
Funktionen zur Unterspannungswarnungen sind nahezu in allen Multicoptersteuerungen enthalten, die ein eigenes BEC - Modul mitbringen. Das ist eine nützliche Hilfe, um im Flug einen nachlassenden Flugakku gemeldet zu bekommen. IdR. stellt man in der Steuerung den verwendeten Akkutyp (z.B. LiPo 3s) und die Warnschwelle (z.B. 3,5V Zellenspannung) ein. Die Steuerung errechnet dann aus der Zellenzahl und der Warnschwelle die Gesamtakkuspannung, bei der ein Warnsignal, z.B. über eine rot blinkende LED, ausgegeben wird. Zur Sicherheit implementieren die Hersteller auch noch eine Funktion, die beim Unterschreiten der Warnschwelle, die Regler drosselt oder sogar eine Zwangslandung des Multicopters einleitet. Die Zwangslandung fällt dabei mal mehr und mal weniger sanft aus.
Und an dieser Stelle gibt es häufig ein Problem für den Nutzer. Die Steuerung erzwingt die Landung und beim Nachladen des Akkus stellt man fest, dass u.U. noch nicht einmal die Hälfte der Akkuladung im Flug entnommen wurde.
Warum ist das so und was kann man dagegen unternehmen?
Gerade Neulinge sind bei der Einstellung der Warnschwellen sehr vorsichtig und setzen die Spannungswerte in der Steuerung zu hoch an. Um die Sache besser verstehen und umsetzen zu können, bedarf es ein paar Kenntnisse über den Akku und seiner Besonderheiten.
Ein Akku ist eine Strom (Energie)quelle, die nicht bis zur vollständigen Entladung die Spannung konstant hält. Schon beim Start des Multicopters kann man einen deutlichen Einbruch der Akkuspannung messen. Verantwortlich ist der Innenwiderstand des Akkus. Es gibt leider keine Spannungsquelle ohne einen Innenwiderstand, sonst wäre sie ein ideales Bauteil.
Was passiert also bei der Stromentnahme?
Die angeschlossenen Verbraucher sind Widerstände im elektrischen Stromkreis, an denen bei Stromfluß eine Spannung abfällt. Die abfallende Spannung kann man mit einem Spannungsmesser nachmessen. Der Strom fließt aber nicht nur durch den Verbraucher, sondern auch durch den (nicht sichtbaren) Innenwiderstand der Spannungsquelle. Man hat quasi eine Reihenschaltung von zwei Verbrauchern. Jeder dieser Verbraucher genehmigt sich etwas von der Spannung. D.h., dass für den angeschlossenen Verbraucher (Regler, Motoren) nur ein Teil der tatsächlich vorhandenen Akkuspannung zur Verfügung steht.
Wie sieht so ein Stromkreis aus?
Uq ist die Spannung, die ein LiPo im unbelasteten Zustand hat, d.h. es fließt kein Strom. Uq und U Lipo sind dann identisch. Bei einem voll geladenen 3s-LiPo wären das 12,6V.
Schließt man einen Verbraucher an, fließt Strom und die Verhältnisse ändern sich. Der Strom fließt nicht nur durch den Verbraucher, sondern auch durch den Innenwiderstand Ri, was den Spannungsverlust Ui verursacht.
Machen wir eine einfache Rechnung auf. Der Innenwiderstand Ri des Lipos beträgt 0,05 Ohm und es soll ein Strom von I=20A fließen. Man kann nun ausrechnen, welche Spannung am Innenwiderstand verloren geht.
Die Formel dafür lautet U=R*I also 0,05 Ohm * 20 A= 1V.
Ein frisch geladener Akku hätte unter Last also nur noch eine Spannung von 11,6V an den äußeren Anschlüssen. Bei nachlassender Ladung verringert sich die Spannung Uq weiter. Wenn die einzelnen Zellen auf 3,8V abgesunken sind, bleibt bei gleichbleibendem Strom von 20A nur noch ULipo = 10,4V übrig.
Wenn die Unterspannungswarnung auf 3,6V pro Zelle eingestellt ist, erwartet die Steuerung eine Akkuspannung von mindestens 10,8V, d.h., die 10,4V sind zu klein und die Steuerung leitet u.U. die vorzeitige Landung des Multicopters ein, obwohl die Kapazität vielleicht noch 60% beträgt.
Es ist also notwendig, die Einstellung für die Warnschwelle zu justieren, respektive herabzusetzen.
Jetzt kommt die zweite Stolperfalle. Je nach Alter und Zustand eines Akkus, verändert sich der Innenwiderstand Ri. Das bedeutet, dass sich bei älter werdendem Akku die Warnschwelle nach Unten verschiebt und dass man eine Einstellung nicht für mehrere Akkus nehmen kann. Akkus mit unterschiedlicher Kapazität, Alter, Hersteller und die Spezifikation sind nicht mischbar. Bei Akkus vom selben Hersteller, Kapazität und Typ mag das wahrscheinlich funktionieren, doch auch da muss man mit verschiedenen Qualitäten rechnen.
Lösungsmöglichkeiten
Um die maximal mögliche Kapazität eines Akkus abrufen zu können, muss man also nach anderen Wegen suchen. Zwei probate Lösungen bieten sich an, Akkuüberwachung per Telemetrie oder per LiPo -Warner.
Telemetrie
Viele Fernsteueranlagen besitzen zwischenzeitlich eine Telemetriefunktion. Je nach Hersteller benötigt man nur noch einen Spannungssensor, der direkt an den rückkanalfähigen Empfänger angeschlossen wird. Man kann dann den Wert für die Spannungsüberwachung in der Multicoptersteuerung sehr stark herabsetzen oder deaktivieren und überwacht sodann selbst die Spannungsanzeige auf dem Display der Fernsteuerung. Das hat sogar den Vorteil, dass man eine Tendenz erkennen kann, wie schnell sich der Akku entlädt. Beim Einsatz eines zusätzlichen Stromsensors, bieten verschiedene Fernsteueranlagen sogar eine Art „Tankuhr“, die die entnommene Kapazität anzeigt. Es gibt sogar Sensoren, die mehrere Messwerte gleichzeitig erfassen können. Als Beispiel sei das Unisens-E von SM-Modellbau genannt.
LiPo-Warner
Bei der zweiten Lösung muss die Warnschwelle ebenfalls stark herabgesetzt oder abgeschaltet werden. Als Anzeige dient dann ein LiPo -Warner, der an den Balanceranschluß eines LiPo -Akkus angeschlossen wird. Der LiPo -Warner, auf eine Warnschwelle für die Einzelzellen eingestellt, meldet sich mit optischen und akustischen Signalen. Der Vorteil von LiPo -Warnern ist also Einzelzellenüberwachung. Es wird nicht die Gesamtspannung gemessen, sondern der Reihe nach jede einzelne LiPo -Zelle abgefragt. Selbst wenn die Gesamtspannung aller Zellen noch hoch genug wäre, so kann der plötzliche Einbruch einer einzelnen Zelle zu einem Sicherheitsrisiko werden.
Je nach Anwendung ist eine, oder eine Kombination der o.g. Vorgehensweisen empfehlenswert. Bei einfachen Sportcoptern reicht sicher ein LiPo -Warner. Diese kleinen Module sind leicht und sehr kostengünstig, außerdem können sie an jeden beliebigen Copter, sofern man mehrere hat, mitwandern.
Bei größeren Multicoptern, die ggf. auch als Trägersystem für eine Kamera dienen, würde ich persönlich eine vorhandene Telemetrie einsetzen und als kleines Sicherheitsplus einen LiPo-Warner an den Balanceranschluß stecken. Über die Telemetrie kann dann die Gesamtspannung und die entnommene Kapazität abgelesen werden und der LiPo -Warner sichert den Spannungseinbruch einer einzelnen Zelle ab. Mehr Sicherheit per Messwertüberwachung ist kaum möglich.
Einstellmöglichkeiten der Warnschwellen an der Multicoptersteuerung
Je nach Hersteller unterscheiden sich die Einstellmöglichkeiten an den Steuerungen.
Die Anzahl der LiPo -Zellen (3s, 4s, 5s usw.) können bei fast alle Multicoptersteuerungen eingegeben werden. Unterschiede sind bei der Vorgabe der Warnschwelle zu finden.
Es gibt Steuerungen für Multicopter, die erlauben eine Werteeinstellung bis zur 2. Stelle hinter dem Komma und sogar die Angabe von einer 1. und einer 2. Warnschwelle.
Ein Beispiel ist die NAZA-M
Bei anderen Steuerungen kann man in einem Drop Down Menü vordefinierte Werte auswählen. Manchmal reicht selbst der unterste Wert nicht aus. In dem Fall kann man die Überwachung evtl. dadurch quasi ausschalten, in dem man als Zellenzahl 3s eingibt obwohl man mit einem 4s Akku fliegt. Weil die obere Spannung idR. nicht als Warnkriterium herangezogen wird, ist man mit dieser Vorgehensweise selbst bei fast leerem Akku immer noch oberhalb der Warnschwelle.
Beispiel, Einstellsoftware der Zero Tech YS-S4
VORSICHT!
Wer diese Möglichkeit oder die Möglichkeit der Deaktivierung der Spannungsüberwachung in der Multicoptersteuerung einsetzt, muss unbedingt für eine Ersatzmöglichkeit sorgen und diese sorgfältig im Auge behalten. Als Inhaber eines Multicopters ist man bei Schäden verantwortlich und wird zur Regulierung von Schäden herangezogen; ohne wenn und aber! Siehe auch Versicherungspflicht für Modellflieger
Funktionen zur Unterspannungswarnungen sind nahezu in allen Multicoptersteuerungen enthalten, die ein eigenes BEC - Modul mitbringen. Das ist eine nützliche Hilfe, um im Flug einen nachlassenden Flugakku gemeldet zu bekommen. IdR. stellt man in der Steuerung den verwendeten Akkutyp (z.B. LiPo 3s) und die Warnschwelle (z.B. 3,5V Zellenspannung) ein. Die Steuerung errechnet dann aus der Zellenzahl und der Warnschwelle die Gesamtakkuspannung, bei der ein Warnsignal, z.B. über eine rot blinkende LED, ausgegeben wird. Zur Sicherheit implementieren die Hersteller auch noch eine Funktion, die beim Unterschreiten der Warnschwelle, die Regler drosselt oder sogar eine Zwangslandung des Multicopters einleitet. Die Zwangslandung fällt dabei mal mehr und mal weniger sanft aus.
Und an dieser Stelle gibt es häufig ein Problem für den Nutzer. Die Steuerung erzwingt die Landung und beim Nachladen des Akkus stellt man fest, dass u.U. noch nicht einmal die Hälfte der Akkuladung im Flug entnommen wurde.
Warum ist das so und was kann man dagegen unternehmen?
Gerade Neulinge sind bei der Einstellung der Warnschwellen sehr vorsichtig und setzen die Spannungswerte in der Steuerung zu hoch an. Um die Sache besser verstehen und umsetzen zu können, bedarf es ein paar Kenntnisse über den Akku und seiner Besonderheiten.
Ein Akku ist eine Strom (Energie)quelle, die nicht bis zur vollständigen Entladung die Spannung konstant hält. Schon beim Start des Multicopters kann man einen deutlichen Einbruch der Akkuspannung messen. Verantwortlich ist der Innenwiderstand des Akkus. Es gibt leider keine Spannungsquelle ohne einen Innenwiderstand, sonst wäre sie ein ideales Bauteil.
Was passiert also bei der Stromentnahme?
Die angeschlossenen Verbraucher sind Widerstände im elektrischen Stromkreis, an denen bei Stromfluß eine Spannung abfällt. Die abfallende Spannung kann man mit einem Spannungsmesser nachmessen. Der Strom fließt aber nicht nur durch den Verbraucher, sondern auch durch den (nicht sichtbaren) Innenwiderstand der Spannungsquelle. Man hat quasi eine Reihenschaltung von zwei Verbrauchern. Jeder dieser Verbraucher genehmigt sich etwas von der Spannung. D.h., dass für den angeschlossenen Verbraucher (Regler, Motoren) nur ein Teil der tatsächlich vorhandenen Akkuspannung zur Verfügung steht.
Wie sieht so ein Stromkreis aus?
Uq ist die Spannung, die ein LiPo im unbelasteten Zustand hat, d.h. es fließt kein Strom. Uq und U Lipo sind dann identisch. Bei einem voll geladenen 3s-LiPo wären das 12,6V.
Schließt man einen Verbraucher an, fließt Strom und die Verhältnisse ändern sich. Der Strom fließt nicht nur durch den Verbraucher, sondern auch durch den Innenwiderstand Ri, was den Spannungsverlust Ui verursacht.
Machen wir eine einfache Rechnung auf. Der Innenwiderstand Ri des Lipos beträgt 0,05 Ohm und es soll ein Strom von I=20A fließen. Man kann nun ausrechnen, welche Spannung am Innenwiderstand verloren geht.
Die Formel dafür lautet U=R*I also 0,05 Ohm * 20 A= 1V.
Ein frisch geladener Akku hätte unter Last also nur noch eine Spannung von 11,6V an den äußeren Anschlüssen. Bei nachlassender Ladung verringert sich die Spannung Uq weiter. Wenn die einzelnen Zellen auf 3,8V abgesunken sind, bleibt bei gleichbleibendem Strom von 20A nur noch ULipo = 10,4V übrig.
Wenn die Unterspannungswarnung auf 3,6V pro Zelle eingestellt ist, erwartet die Steuerung eine Akkuspannung von mindestens 10,8V, d.h., die 10,4V sind zu klein und die Steuerung leitet u.U. die vorzeitige Landung des Multicopters ein, obwohl die Kapazität vielleicht noch 60% beträgt.
Es ist also notwendig, die Einstellung für die Warnschwelle zu justieren, respektive herabzusetzen.
Jetzt kommt die zweite Stolperfalle. Je nach Alter und Zustand eines Akkus, verändert sich der Innenwiderstand Ri. Das bedeutet, dass sich bei älter werdendem Akku die Warnschwelle nach Unten verschiebt und dass man eine Einstellung nicht für mehrere Akkus nehmen kann. Akkus mit unterschiedlicher Kapazität, Alter, Hersteller und die Spezifikation sind nicht mischbar. Bei Akkus vom selben Hersteller, Kapazität und Typ mag das wahrscheinlich funktionieren, doch auch da muss man mit verschiedenen Qualitäten rechnen.
Lösungsmöglichkeiten
Um die maximal mögliche Kapazität eines Akkus abrufen zu können, muss man also nach anderen Wegen suchen. Zwei probate Lösungen bieten sich an, Akkuüberwachung per Telemetrie oder per LiPo -Warner.
Telemetrie
Viele Fernsteueranlagen besitzen zwischenzeitlich eine Telemetriefunktion. Je nach Hersteller benötigt man nur noch einen Spannungssensor, der direkt an den rückkanalfähigen Empfänger angeschlossen wird. Man kann dann den Wert für die Spannungsüberwachung in der Multicoptersteuerung sehr stark herabsetzen oder deaktivieren und überwacht sodann selbst die Spannungsanzeige auf dem Display der Fernsteuerung. Das hat sogar den Vorteil, dass man eine Tendenz erkennen kann, wie schnell sich der Akku entlädt. Beim Einsatz eines zusätzlichen Stromsensors, bieten verschiedene Fernsteueranlagen sogar eine Art „Tankuhr“, die die entnommene Kapazität anzeigt. Es gibt sogar Sensoren, die mehrere Messwerte gleichzeitig erfassen können. Als Beispiel sei das Unisens-E von SM-Modellbau genannt.
LiPo-Warner
Bei der zweiten Lösung muss die Warnschwelle ebenfalls stark herabgesetzt oder abgeschaltet werden. Als Anzeige dient dann ein LiPo -Warner, der an den Balanceranschluß eines LiPo -Akkus angeschlossen wird. Der LiPo -Warner, auf eine Warnschwelle für die Einzelzellen eingestellt, meldet sich mit optischen und akustischen Signalen. Der Vorteil von LiPo -Warnern ist also Einzelzellenüberwachung. Es wird nicht die Gesamtspannung gemessen, sondern der Reihe nach jede einzelne LiPo -Zelle abgefragt. Selbst wenn die Gesamtspannung aller Zellen noch hoch genug wäre, so kann der plötzliche Einbruch einer einzelnen Zelle zu einem Sicherheitsrisiko werden.
Je nach Anwendung ist eine, oder eine Kombination der o.g. Vorgehensweisen empfehlenswert. Bei einfachen Sportcoptern reicht sicher ein LiPo -Warner. Diese kleinen Module sind leicht und sehr kostengünstig, außerdem können sie an jeden beliebigen Copter, sofern man mehrere hat, mitwandern.
Bei größeren Multicoptern, die ggf. auch als Trägersystem für eine Kamera dienen, würde ich persönlich eine vorhandene Telemetrie einsetzen und als kleines Sicherheitsplus einen LiPo-Warner an den Balanceranschluß stecken. Über die Telemetrie kann dann die Gesamtspannung und die entnommene Kapazität abgelesen werden und der LiPo -Warner sichert den Spannungseinbruch einer einzelnen Zelle ab. Mehr Sicherheit per Messwertüberwachung ist kaum möglich.
Einstellmöglichkeiten der Warnschwellen an der Multicoptersteuerung
Je nach Hersteller unterscheiden sich die Einstellmöglichkeiten an den Steuerungen.
Die Anzahl der LiPo -Zellen (3s, 4s, 5s usw.) können bei fast alle Multicoptersteuerungen eingegeben werden. Unterschiede sind bei der Vorgabe der Warnschwelle zu finden.
Es gibt Steuerungen für Multicopter, die erlauben eine Werteeinstellung bis zur 2. Stelle hinter dem Komma und sogar die Angabe von einer 1. und einer 2. Warnschwelle.
Ein Beispiel ist die NAZA-M
Bei anderen Steuerungen kann man in einem Drop Down Menü vordefinierte Werte auswählen. Manchmal reicht selbst der unterste Wert nicht aus. In dem Fall kann man die Überwachung evtl. dadurch quasi ausschalten, in dem man als Zellenzahl 3s eingibt obwohl man mit einem 4s Akku fliegt. Weil die obere Spannung idR. nicht als Warnkriterium herangezogen wird, ist man mit dieser Vorgehensweise selbst bei fast leerem Akku immer noch oberhalb der Warnschwelle.
Beispiel, Einstellsoftware der Zero Tech YS-S4
VORSICHT!
Wer diese Möglichkeit oder die Möglichkeit der Deaktivierung der Spannungsüberwachung in der Multicoptersteuerung einsetzt, muss unbedingt für eine Ersatzmöglichkeit sorgen und diese sorgfältig im Auge behalten. Als Inhaber eines Multicopters ist man bei Schäden verantwortlich und wird zur Regulierung von Schäden herangezogen; ohne wenn und aber! Siehe auch Versicherungspflicht für Modellflieger
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