Strommessung und Interpretation bei RC-Modellen

Es gibt viele aufwändige und präzise, aber in der Regel auch teure und umständlich zu verbauende Data-Logging-Systeme zur Erfassung von Strömen und Spannungen im RC-Car. Man kann aber auch schon mit vergleichsweise einfachen und günstigen Messgeräten informative und sehr hilfreiche Erkenntnisse gewinnen.

Auf der Suche nach einem solchen Messgerät bin ich auf ein Wattmeter gestoßen, das immerhin einen Messbereich bis 130 A bietet und auch noch weitere hilfreiche Messwerte, wie die höchste von den Akkus Wattmeter mit Adaptern für Strom-Messungen an einem Akkugelieferte Leistung, die geringste Spannung oder auch die den Akkus entnommene Energie, anzeigt. Das Messgerät ist mit rund 22,- € vergleichsweise günstig. Höchste Präzision bei den gemessenen Werten erwarte ich daher nicht. Um Größenordnungen abschätzen zu können und darauf basierend meine Setups zu optimieren oder passende Akkus zu wählen sollte es aber auf jeden Fall genügen.

Geliefert wird es ohne Stecker. Um es an Fahrzeugen und Booten mit Wattmeter mit Adaptern für Strom-Messungen an zwei Akkuseinem oder zwei (seriell) angeschlossenen Akkus nutzen zu können habe ich mir noch ein paar passende Adapter gelötet. Bei der Variante für zwei Akkus ist zu beachten, daß die Kabelverbindung zwischen den beiden Steckern des Reglers unterbrochen werden muß. Das habe ich gelöst, indem an meinem Adapter Reglerseitig jeweils nur Pol der Stecker belegt ist. Die Verbindung beziehnungsweise Reihenschaltung der beiden Akkus erfolgt erst nach dem Messgerät, also an dem Akkuseitigen Adapter. (Achtung: Dies gilt nicht für Regler, wie den Traxxas EVX-2. Da dieser den Abgriff zwischen den beiden Akkus für das BEC benötigt kann hier nur am Anschluß eines Akkus gemessen werden.) Mit diesen Adaptern kann ich das Messgerät nun einfach zwischen die Akkus und den Regler hängen.

Der Messvorgang beginnt, sobald ein Akku angeschlossen wird. Während des Betriebes des Modells werden dann die Messdaten erfasst. Bis der Akku wieder abgeklemmt wird, werden auf dem Display dann folgende Daten angezeigt. Einen dauerhaften Speicher gibt es nicht. Man sollte sich die gemessenen Daten daher notieren bevor man die Akku wieder trennt.

Wattmeter: Anzeige der MessergebnisseAngezeigt werden zum einen die aktuellen Messwerte für den Strom in Ampere (A), die Spannung in Volt (V) und die aktuelle Leistung in Watt (W). Weiterhin werden links unten im Display folgende Werte im Wechsel angegeben: Der gesamte Stromverbrauch in Amperestunden (Ah), der höchste geflossene Strom in Ampere (Ap), die geringste Spannung in Volt (Vm), die durchgeflossene Energiemenge in Wattstunden (Wh), sowie die höchste Leistung in Watt (Wp).

Wie sind diese Werte jetzt zu interpretieren und was für Erkenntnisse ergeben sich daraus:

Stromverbrauch in Amperestunden (Ah):
Wattmeter: Anzeige des gesamten Stroms in Amperestunden (Ah)Der gesamte Stromverbrauch in Amperestunden bietet eine Orientierung für die nutzbare Kapazität des Akkus. Wenn dieser Wert im Verhältnis zur nominellen Kapazität eines LiPos sehr hoch ist, kann es auch angebracht sein, die Abschaltspannung des Reglers etwas zu erhöhen. Viele nutzen nur etwa 80% der maximal verffügbaren Kapazität eines LiPos um Unterspannungen zu vermeiden und eine möglichst lange Lebensdauer des Akkus zu erreichen. Entnimmt man einem LiPo mit 5.000 mAh also etwa 4 Ah Strom, dann liegt man genau im Rahmen dieser 80%. Um mögliche Messungenauigkeiten des Wattmeters etwas zu relativieren, kann man die angezeigten Werte auch mit den Angaben des Ladegerätes beim Wiederaufladen des LiPos abgleichen.

Maximaler Strom in Ampere (A):
Wattmeter: Anzeige des maximalen Stroms in Ampere (A)Der höchste geflossene Strom in Ampere ist ein sehr informativer Wert! Zum einen kann man den Strombedarf des verbauten Antriebes (Regler und Motor) einschätzen. Ist dieser Wert im Verhältnis zu den Werksangaben eher hoch, dann hat man möglicherweise ein grenzwertiges Setup. Das kann beim RC-Car beispielsweise durch eine zu lange Übersetzung oder auch durch zu große Räder entstehen. Beim RC-Boot (oder einem Flugmodell) ist eventuell der Propeller zu groß oder hat eine zu hohe Steigung. Ist der maximale Strom hingegen eher gering, dann hat man entweder noch Reserven, was ein leistungsfähigeres Setup angeht, oder genießt einfach nur den Vorteil, daß die Komponenten kühler laufen und weniger beansprucht werden. Das sollte dann weniger weniger Verschleiß (ja, den gibt es temperaturbedingt auch bei elektronischen Komponenten) und eine längere Lebensdauer der elektronischen Bauteile bewirken. Weiterhin ist der maximale Strom ein guter Indikator, was die Verkabelung und Steckkontakte angeht. Je höher der fließende Strom ist, desto mehr sollte man auf die Verwendung von Kabeln mit großem Leitungsquerschnitt und hochstromfähige Stecker achten. Je mehr sich Kabel und Stecker durch zu hohe Ströme erwärmen, desto größer ist der Leitungswiderstand. Damit reduziert sich dann der effektive Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Systems.
Und letztlich ist der maximals Strom natürlich ein wichtiger Wert um LiPos mit geeigneter Entladerate auszuwählen. Diese ergibt sich aus der Kapazität und der C-Rate des Akkus. LiPo mit 5.000 mAh und einer Entladerate von 40 C / 50 C kann beispielsweise einen dauerhaften Strom von 200 A (5 Ah x 40 C) und kurzzeitig einen Strom von 250 A (5 Ah x 50 C) bereitstellen. Bei RC-Cars hat man oft nur recht kurze Leistungsspitzen bei der maximalen Beschleunigung. Hat das Modell seine Geschwindigkeit erreicht, dann sink die Stromaufnahme wieder erheblich. Bei RC-Booten hingegen hat man auch bei konstanten Geschwindigkeiten erhebliche Widerstände durch die Fortbewegung im Wasser. Da treten hohe Ströme auch über einen längeren Zeitraum auf. Generell würde ich aber immer versuchen mit einem möglichst großen Puffer im Rahmen der möglichen Dauer-Entladerate eines LiPos zu bleiben. Dadurch dadurch wird die Belastung des Akkus deutlich reduziert und die Lebensdauer verlängert.

Geringste Spannung in Volt (V):
Wattmeter: Anzeige der niedrigsten Spannung in Volt (V)Die geringste gemessene Spannung der Akkus ist ebenfalls sehr interessant. Hier kann man gut erkennen ob die LiPos bezüglich der Entladerate überfordert sind. Ist das der Fall, dann bricht die Spannung nämlich erheblich ein. Hier würde ich versuchen einen Mindestwert von 3,2 bis 3,3 V pro Zelle nicht zu unterschreiten. Gegebenenfalls kann auch die Erhöhung der Abschaltspannung des Reglers zu einem schonenenderen Betrieb führen.

Geflossene Energiemenge in Wattstunden (Wh):
Die Energiemenge in Wattstunden ist sicherlich mal interessant, Auswirkungen oder Konsequenzen für die Praxis sehe ich hier jedoch nicht wirklich.

Maximale Leistung in Watt (W):
Wattmeter: Anzeige der maximalen Leistung in Watt (W)Die höchste Leistung in Watt ist wiederum ein Wert, der sich in Debatten und Diskussionen recht gut macht. Man sollte allerdings beachten, daß es sich dabei lediglich um die Leistung handelt, die von den Akkus abgegeben wird. Das hat noch nichts mit der Motorleistung oder gar der Antriebsleistung an den Rädern zu tun. Dazwischen liegt noch der Wirkungsgrad des Reglers und des Motors. Auch wenn manche Motorhersteller für ihre Bruschless-Motoren schon Wirkungsgrade von 90% oder mehr angeben. Die Regler sind dabei in der Regel noch nicht mit berücksichtigt. Außerdem gibt es noch weitere Verluste im Bereich der Kabel und Steckverbindungen. Kurz gesagt: Alles was sich erwärmt verbrät Energie in Form von Wärmeentwicklung. Dadurch wird in jedere Komponenten die warm wird ein Wirkungsgrad von unter 100% erzielt. Dieser Wirkungsgrad der einzelnen Bauteile muß dann noch miteinander multipliziert werden um den Gesamt-Wirkungsgrad zu ermitteln. In der Realität schätze ich, daß die Wirkungsgrade von elektsichen Brushless-Antrieben in RC-Modellen eher um 70% liegen dürften. Bei Brushed-Motoren eher noch etwas weniger.

Auch wenn das hier beschriebene und eher günstige Messgerät naturgemäß gewisse Messungenauigkeiten aufweisen dürfte. Für eine Abschätzung und Interpretation der Werte in ihren Größenordnungen sollte es in jedem Fall ausreichen.

Ich werde im Laufe der Zeit einige meiner Modelle mit dem Wattmeter messen. Ich bin schon mal gespannt, inwieweit der Messbereich bis 130 A ausreicht. Meine ersten Tests an 5S LiPos in der Traxxas Spartan ergaben schon mal Spitzenströme, die den Messbereich nahezu ausschöpften. Wie das bei den RC-Cars aussehen wird werde ich noch sehen. Die entsprechenden Messwerte werde ich dann zum Vergleich in der Tabelle “Messswerte” zusammenfassen.

In diesem Beitrag erwähnte RC-Fahrzeuge, Zubehör- und Tuningteile:
HobbyWing Turnigy 130A Watt Meter and Power Analyzer (TR-Wattmeter)

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