Warum entlädt sich der Akku einer Tether-Drohne während des Flugs?

Kurzantwort: Batterie und Tether-Bordmodul können sich die Last des Fluggeräts teilen. Liegt die Ausgangsspannung des Moduls etwas unter der Spannung des Batteriepfads, übersteigt die Leistungsanforderung des Fluggeräts vorübergehend die Modulleistung oder verringern Kabel- und Temperaturbedingungen die verfügbare Tether-Leistung, kann die Batterie einen Teil des Stroms liefern und ihr Ladezustand sinkt.

Viele erwarten, dass der ursprüngliche Akku eines UAV nach dem Anschluss an eine kontinuierliche Bodenversorgung exakt denselben Ladezustand behält. Bei vielen realen Tether-Architekturen funktioniert der Leistungsfluss jedoch anders.

Bleibt der ursprüngliche Akku als Reserve an Bord, kann er gleichzeitig mit dem bordseitigen DC/DC-Modul elektrisch an den Fluggerätebus angeschlossen sein. Welchen Strom jede Quelle liefert, hängt von Spannung, Innenwiderstand, Regelstrategie und momentaner Fluggerätelast ab.

Beginnen Sie mit der Architektur zur Leistungsaufteilung

Das vereinfachte System lässt sich als zwei mögliche Energiequellen an einem Fluggerätebus darstellen: der bordseitige Wandler des Tethers und der ursprüngliche Akku. Sind beide Pfade aktiv, liefern sie nicht zwingend die gleiche Leistung.

Bordseitiges DC/DC-Modul des Tethers → UAV-Bus ← Reservebatterie

1. Die Ausgangsspannung des Wandlers liegt unter der Batteriespannung

Strom fließt tendenziell von der Quelle mit der höheren effektiven Spannung am Fluggerätebus. Ist das Bordmodul unter Last etwas niedriger als der Batteriepfad geregelt, kann die Batterie weiterhin Strom liefern.

Das bedeutet nicht automatisch, dass das Tether-Modul defekt ist. Der passende Sollwert hängt von der Fluggerätearchitektur, den Batteriegrenzen und der vorgesehenen Strategie zur Leistungsaufteilung ab. Eine Spannungserhöhung ohne Verständnis für Batterie und BMS kann ein anderes Problem verursachen, etwa unerwünschtes Laden oder das Risiko von Rückstrom.

2. Die Fluggerätelast übersteigt vorübergehend die Modulleistung

Die Hover-Leistung ist nicht die höchste Leistung, die ein UAV anfordert. Start, Beschleunigung, Windkorrektur, Nutzlastaktivierung und schnelle Steuereingaben können kurze Leistungsspitzen erzeugen. Ist das Bordmodul nahe am durchschnittlichen Bedarf ausgelegt, kann die Batterie diese Transienten abdecken.

• Beim normalen Schweben kann der Tether die gesamte Leistung liefern.
• Kurze Spitzen können teilweise von der Batterie kommen.
• Wiederholte oder längere Spitzen können den Ladezustand der Batterie allmählich senken.

3. Spannungsabfall im Tether verringert die verfügbare Leistung an Bord

Der Tether besitzt elektrischen Widerstand. Unter Last fällt entlang des Kabels Spannung ab. Vereinfacht steigt der Spannungsabfall mit Strom und Gesamtwiderstand der Schleife; die Leiterverluste folgen der bekannten Beziehung I²R.

Ein längeres Kabel, ein höherer Strom oder ein Leiter mit größerem Widerstand kann daher die Spannung am bordseitigen Wandler reduzieren. Nähert sich der Wandler seiner Eingangs- oder Temperaturgrenze, muss die Batterie möglicherweise einen größeren Teil der Fluggerätelast übernehmen.

4. Die Einspeisung am Boden liefert nicht die erwartete Leistung

Das Bordmodul kann nur die Leistung abgeben, die erfolgreich durch die gesamte Kette gelangt. Ein Generator mit zu geringer Leistung, eine ungeeignete AC-Versorgung, eine Leistungsreduzierung der Bodenstation oder eine andere vorgelagerte Begrenzung kann die verfügbare Leistung an Bord senken, auch wenn die Nennleistung des Moduls höher ist.

5. Temperatur und Kühlung verringern die Dauerleistung

Leistungselektronik erzeugt Wärme. Hohe Umgebungstemperatur, eingeschränkte Luftzufuhr oder die Montage neben einer weiteren Wärmequelle können die Dauerleistungsreserve reduzieren. Reduzieren Wandler oder Bodengerät ihre Leistung wegen der Temperatur, kann die Batterie mehr Strom liefern als unter kühleren Bedingungen.

6. Das Batteriemanagement beeinflusst den Stromfluss

Intelligente Batterien und BMS-gesteuerte Fluggeräte können sich anders verhalten als ein einfacher passiver Akkupack. Das BMS kann den Ladestrom begrenzen, sich unter bestimmten Bedingungen trennen oder den Ladezustand nach einer eigenen Schätzlogik melden. Bei proprietären Fluggeräteplattformen sollte das Batterieverhalten am tatsächlichen Fluggerät geprüft werden, statt es allein aus der Spannung abzuleiten.

Welcher Batterieverlust ist akzeptabel?

Einen allgemeingültigen Prozentwert gibt es nicht. Ein leichter Rückgang während einer langen Mission kann normal sein, wenn die Batterie Transienten abfängt. Ein schneller oder fortlaufender Rückgang kann dagegen darauf hindeuten, dass das Tether-System die Dauerlast nicht deckt oder das Verhältnis der Spannungen für die Stromaufteilung nicht stimmt.

Die hilfreiche Frage lautet nicht nur „Ist der Batterieprozentsatz gesunken?“, sondern „Welchen Strom lieferte die Batterie, bei welcher Flugbedingung und wie lange?“

So ermitteln Sie die Ursache

Erfassen Sie das Systemverhalten bei stabilem Schwebeflug und vergleichen Sie es anschließend mit Ereignissen höherer Last. Sinnvolle Messwerte sind:

• Spannung am Fluggerätebus
• Ausgangsspannung und -strom des Bordmoduls
• Eingangsspannung des Bordmoduls aus dem Tether
• Ausgangsspannung und -strom der Bodenstation
• Richtung und Höhe des Batteriestroms, sofern verfügbar
• Ladezustand der Batterie im Zeitverlauf
• Umgebungs- und Modultemperatur
• Betriebsmodus des Fluggeräts und Zustand der Nutzlast beim Auftreten des Rückgangs

Lösen Sie die Batterieentladung nicht einfach durch eine höhere Spannung

Eine Erhöhung der Ausgangsspannung des Bordmoduls kann mehr Last von der Batterie auf das Tether-Modul verlagern. Der Sollwert muss jedoch zu Fluggerät, Batterie und BMS passen. Eine falsche Spannung kann unerwünschtes Laden oder Rückspeisung verursachen. Einstellungen sollten daher dem dokumentierten Leistungsweg folgen und nicht durch Ausprobieren ermittelt werden.

Was ein gut abgestimmtes System leisten sollte

• Das Tether-System deckt den anhaltenden Leistungsbedarf von Fluggerät und Nutzlast.
• Für erwartete Transienten ist ausreichend kurzzeitige Reserve vorhanden.
• Die Batterie bleibt verfügbar, falls sie laut Auslegung als Reserve vorgesehen ist.
• Kabelspannungsabfall und Grenzen der Bodenquelle gehen in die Leistungsberechnung ein.
• Der Wandler arbeitet innerhalb seiner Temperatur- und Spannungsgrenzen.
• Batterieladung oder Rückstrom werden entsprechend der vorgesehenen Architektur kontrolliert.

Häufige Fragen

Bedeutet eine entladene Batterie, dass das Tether-System zu klein ausgelegt ist?

Nicht unbedingt. Eine Reservebatterie kann kurze Transienten gezielt unterstützen. Entscheidend ist, ob sie nur Spitzen abdeckt oder dauerhaft einen erheblichen Teil der anhaltenden Last liefert.

Kann ich die Spannung des Bordmoduls erhöhen, damit sich die Batterie nie entlädt?

Erhöhen Sie die Spannung nicht, ohne die Grenzwerte von Fluggerät und Batterie zu bestätigen. Ein zu hoher Sollwert kann unerwünschtes Laden oder Rückstrom verursachen.

Kann eine größere Tether-Kabellänge die Batterie schneller entladen?

Ja, indirekt. Ein längeres Kabel kann den elektrischen Widerstand und den Spannungsabfall erhöhen. Dadurch steht dem bordseitigen Wandler möglicherweise weniger Leistung zur Verfügung und die Batterie liefert mehr Strom.

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