Come ti ho spiegato più sopra... basta un assorbimento maggiore che la batt non riesce più a garantire la tensione che ora stai leggendo senza carico. Devi usare una batt più carica oppure un altro tipo di batteria, che possa garantire corrente sufficiente sia per l'Arduino che per il circuito che stai alimentando. Considera che la porta USB fornisce anche 500 mA mentre una classica batteria ricaricabile da 9V arriva intorno ai 200 mA. Che possono scendere se non è pienamente carica,