Els darrers anys, l’economia de baixa alçada s’ha incorporat als plans nacionals d’estratègia de desenvolupament i la indústria de drons està experimentant un creixement ràpid. Segons dades de l’Administració de l’Aviació Civil de la Xina, el nombre de drons registrats a la Xina va arribar a 3,287 milions al final del 2025, i es preveu que la mida total del mercat de l’economia de baixa alçada superi un bilió de iuan xinès el 2026.
A mesura que els drons volen a majors altures, a majors distàncies i durant períodes més llargs, els requisits d’estabilitat per als sistemes electrònics a bord esdevenen cada cop més exigents. Amb l’alta integració de sub-sistemes com la imatgeria infraroja, les bateries de litis d’alt rendiment, el control de vol i els mòduls de comunicació, l’acumulació de calor s’ha convertit en un risc crític que afecta la seguretat del vol.
Quan els sistemes tradicionals de refrigeració per aire tenen dificultats per fer front a la càrrega tèrmica, i els sistemes de refrigeració per líquid solen ser massa pesats i complexos, una tecnologia silenciosa i molt eficient de refrigeració d’estat sòlid —la refrigeració termoelèctrica (TEC)— s’emergí com una solució prometedora per a la gestió tèrmica en drons.
Potser heu vist un fenomen fascinant: quan un petit mòdul termoelèctric es connecta a un corrent continu, un costat es refreda ràpidament i fins i tot pot formar escuma, mentre que l’altre costat es calenta.
Això es basa en l’«efecte Peltier», descobert el 1834 pel físic francès Jean Charles Athanase Peltier. Quan un corrent continu travessa un circuit compost per materials semiconductors de tipus N i de tipus P, els electrons transfereixen calor d’un costat a l’altre, provocant simultàniament absorció i alliberament de calor.
Diversos parells termoelèctrics connectats en sèrie formen un mòdul termoelèctric (TEC), que permet un control precís de la temperatura en un ampli interval d’aproximadament –130 °C a 150 °C. Els processos de calefacció i refrigeració es poden assolir simplement invertint el sentit del corrent.
En comparació amb els sistemes tradicionals basats en compressors i les complexes solucions de refrigeració líquida, la tecnologia TEC ofereix diversos avantatges clau per a les aplicacions en drons:
Estat sòlid i resistent a les vibracions: Cap peça en moviment, cosa que assegura un funcionament silenciós i molt fiable sota vibracions i xocs.
Control precís de la temperatura: Temps de resposta ràpid, que permet una regulació de la temperatura a nivell inferior a 0,01 °C en determinades aplicacions.
Compacte i fàcil d’integrar: Estructura senzilla, ideal per a plataformes de drons amb limitacions d’espai i pes.
Amigable amb l'entorn: No calen refrigerants; un sol mòdul permet tant la calefacció com la refrigeració mitjançant la inversió del corrent.
L'aplicació de la TEC en drons no es limita a un sol subsistema, sinó que abasta tot l'ecosistema tèrmic a bord i els sistemes d'assistència terrestre.
El LiDAR és un sensor fonamental en drons industrials utilitzats per a aplicacions de topografia, inspecció i seguretat. En els sistemes de radar làser, la longitud d'ona d'emissió dels làsers de diodes semiconductors depèn molt fortament de la temperatura de la unió: per cada augment de 1 °C, la longitud d'ona es desplaça normalment aproximadament 0,2–0,3 nm.
Aquest desplaçament de longitud d'ona pot fer que el senyal de retorn caigui fora del filtre òptic de banda estreta, provocant una fallada completa de la mesura. Per tant, l'estabilitat de la longitud d'ona és un requisit funcional i no simplement una optimització del rendiment.
Els intervals de temperatura de funcionament dels sistemes LiDAR varien segons el disseny i l'aplicació, normalment entre –40 °C i 85 °C.
El refredament termoelèctric (TEC) és una solució hardware habitual per mantenir l’estabilitat de la longitud d’ona dels làsers de diodes en els sistemes LiDAR. Els reptes d’enginyeria inclouen el control de temperatura inferior al milikelvin, la gestió tèrmica dels components òptics i fins i tot el refredament multinivell per a aplicacions de sintonització de longitud d’ona.
Les bateries són un factor limitant important en l’autonomia dels drons. En entorns de temperatures elevades, les bateries de ions de liti poden patir sobrecàrrega tèrmica, dilatació o descontrol tèrmic. A temperatures baixes, per sota de –10 °C, la capacitat útil pot disminuir fins a un 30 %.
Els sistemes TEC es poden integrar al sistema de gestió de bateries (BMS) per oferir una regulació tèrmica activa: refredament quan les temperatures són massa altes i escalfament quan són massa baixes. Això manté la bateria dins de l’interval òptim de funcionament de 25–40 °C, millorant tant la vida útil com l’eficiència de càrrega/descàrrega.
Mitjançant simplement la inversió del sentit de circulació actual, els mòduls TEC permeten un control tèrmic bidireccional sense interrupcions, adaptant-se perfectament als requisits duals de calefacció i refrigeració dels sistemes de bateries de drons.
En entorns d’alta altitud o extrems, el funcionament estable dels controladors de motors i dels sistemes servo és fonamental.
Els mòduls de refrigeració termoelèctrica poden dissipar la calor dels components electrònics de potència durant el funcionament normal i passar al mode de calefacció en entorns de baixa temperatura a gran altura, assegurant que els components electrònics es mantinguin dins de les condicions operatives òptimes. Això millora significativament la fiabilitat del sistema i redueix les estrictes restriccions de disseny ambiental.
Les estacions de drons actuen com a «centres base» per a la càrrega i l’estacionament en entorns exteriors. Els seus sistemes interns de control de temperatura determinen directament si es poden assolir operacions totalment autònomes.
A l'estiu, les temperatures interiors poden superar els 60 °C, reduint l'eficiència de càrrega i augmentant els riscos de seguretat. A l'hivern, les baixes temperatures redueixen significativament la capacitat de la bateria.
Un sistema basat en TEC pot proporcionar tant refrigeració com escalfament simplement invertint el sentit del corrent. Combinat amb sensors de temperatura d'alta precisió i algorismes de control PID, es pot assolir una estabilitat tèrmica dins de ±0,1 °C.
Com que els mòduls TEC no tenen parts mòbils i no necessiten refrigerants, són molt fiables per a estacions de drons desplegades en entorns remots o de difícil manteniment, com ara muntanyes o terrats.
Malgrat les seves avantatges, integrar la tecnologia TEC en sistemes de drons continua sent un repte d'enginyeria a nivell de sistema:
Coordinació de l'eficiència energètica: El TEC és essencialment una bomba de calor. Sense una dissipació de calor suficient al costat calent, el rendiment del sistema es degrada ràpidament. En aplicacions d’alta potència, sovint es requereix un sistema de refrigeració forçada amb dissipadors tèrmics o fins i tot sistemes de refrigeració líquida.
Control tèrmic precís: Es necessiten sensors NTC d’alta precisió combinats amb algorismes PID per a la regulació dinàmica de la potència i l’optimització energètica.
Protecció ambiental i disseny del flux d’aire: Les carcasses de drons han de tenir una protecció IP65 o superior, i el flux d’aire intern s’ha de dissenyar minuciosament per garantir una distribució uniforme de la calor.
Consideracions sobre el cost del cicle de vida: Encara que els costos inicials poden ser superiors als de les solucions tradicionals, els sistemes TEC ofereixen avantatges a llarg termini, com ara l’absència de peces en moviment, cap necessitat de manteniment de refrigerants i uns costos operatius més baixos.
A P&N preferim considerar el TEC no només com un component de refrigeració, sinó com una eina de control tèrmic de precisió.
Per als drons, el que realment importa no és la temperatura en si, sinó l’estabilitat a llarg termini dels components crítics en condicions d’operació.
Diferents aplicacions tenen requisits diferents en termes de precisió tèrmica, consum energètic, pes i fiabilitat. Per tant, cada solució ha de ser dissenyada com un sistema, i no només optimitzada per a temperatures més baixes.
Amb el ràpid desenvolupament del LiDAR, la detecció infraroja, les estacions de drons i les plataformes d’alta autonomia, considerem que la gestió tèrmica de precisió jugarà un paper cada cop més important en els sistemes de drons futurs.
P&N continuarà treballant estretament amb els clients per explorar solucions de gestió tèrmica termoelèctrica més eficients i fiables.
EN
