Trong những năm gần đây, nền kinh tế độ cao thấp đã được đưa vào các kế hoạch phát triển chiến lược quốc gia và ngành công nghiệp máy bay không người lái (drone) đang tăng trưởng mạnh mẽ. Theo số liệu từ Cục Hàng không Dân dụng Trung Quốc, số lượng drone đã đăng ký tại Trung Quốc đạt 3,287 triệu chiếc vào cuối năm 2025, và quy mô thị trường tổng thể của nền kinh tế độ cao thấp dự kiến sẽ vượt mốc một nghìn tỷ Nhân dân tệ vào năm 2026.
Khi các drone bay cao hơn, xa hơn và trong thời gian dài hơn, yêu cầu về độ ổn định của các hệ thống điện tử trên tàu ngày càng khắt khe. Với mức tích hợp cao của các hệ thống con như chụp ảnh hồng ngoại, pin lithium hiệu suất cao, điều khiển chuyến bay và mô-đun truyền thông, việc tích tụ nhiệt đã trở thành một rủi ro nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn bay.
Khi các hệ thống làm mát bằng không khí truyền thống gặp khó khăn trong việc xử lý tải nhiệt, và các hệ thống làm mát bằng chất lỏng thường quá nặng và phức tạp, thì một công nghệ làm mát trạng thái rắn yên tĩnh và hiệu quả cao—công nghệ làm mát điện nhiệt (TEC)—đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho quản lý nhiệt trên máy bay không người lái.
Bạn có thể đã từng chứng kiến một hiện tượng thú vị: khi cấp dòng điện một chiều (DC) cho một mô-đun điện nhiệt nhỏ, một mặt của mô-đun nhanh chóng trở nên lạnh và thậm chí hình thành lớp băng giá, trong khi mặt kia lại trở nên nóng.
Hiện tượng này dựa trên "Hiệu ứng Peltier", được nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier phát hiện năm 1834. Khi dòng điện một chiều đi qua mạch gồm các vật liệu bán dẫn loại N và loại P, các electron sẽ vận chuyển nhiệt từ một phía sang phía kia, dẫn đến hiện tượng đồng thời hấp thụ nhiệt và tỏa nhiệt.
Nhiều cặp nhiệt điện được nối tiếp với nhau tạo thành một mô-đun nhiệt điện (TEC), cho phép điều khiển nhiệt độ chính xác trong dải rộng khoảng từ –130°C đến 150°C. Việc làm nóng và làm lạnh có thể đạt được chỉ bằng cách đảo chiều dòng điện.
So với các hệ thống sử dụng máy nén truyền thống và các giải pháp làm mát bằng chất lỏng phức tạp, công nghệ TEC mang lại một số ưu điểm nổi bật cho ứng dụng trên drone:
Dạng rắn, chống rung: Không có bộ phận chuyển động, đảm bảo hoạt động im lặng và độ tin cậy cao ngay cả trong điều kiện rung và va chạm.
Điều khiển nhiệt độ chính xác: Thời gian đáp ứng nhanh, cho phép điều chỉnh nhiệt độ ở mức dưới 0,01°C trong một số ứng dụng.
Nhỏ gọn và dễ tích hợp: Cấu trúc đơn giản, lý tưởng cho các nền tảng drone bị giới hạn về không gian và trọng lượng.
Thân thiện với môi trường: Không cần chất làm lạnh; một mô-đun duy nhất có thể thực hiện cả chức năng làm nóng và làm lạnh thông qua việc đảo chiều dòng điện.
Việc ứng dụng TEC trong máy bay không người lái không chỉ giới hạn ở một hệ thống con duy nhất mà còn bao quát toàn bộ hệ sinh thái nhiệt trên bo mạch cũng như các hệ thống hỗ trợ mặt đất.
LiDAR là một cảm biến cốt lõi trong máy bay không người lái công nghiệp, được sử dụng cho các ứng dụng khảo sát, kiểm tra và an ninh. Trong các hệ thống radar laser, bước sóng phát xạ của đi-ốt laser bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ mối nối: cứ tăng 1°C, bước sóng thường dịch chuyển khoảng 0,2–0,3 nm.
Sự trôi bước sóng này có thể khiến tín hiệu phản hồi rơi ra ngoài dải lọc quang học hẹp, dẫn đến thất bại hoàn toàn trong quá trình đo lường. Do đó, độ ổn định bước sóng là một yêu cầu chức năng chứ không chỉ là tối ưu hóa hiệu suất.
Dải nhiệt độ hoạt động của các hệ thống LiDAR thay đổi tùy theo thiết kế và ứng dụng, thường nằm trong khoảng từ –40°C đến 85°C.
Làm mát bằng hiệu ứng nhiệt điện (TEC) là một giải pháp phần cứng phổ biến nhằm duy trì độ ổn định bước sóng của đi-ốt laser trong các hệ thống LiDAR. Các thách thức kỹ thuật bao gồm điều khiển nhiệt độ ở mức dưới một milikelvin, quản lý nhiệt cho các thành phần quang học và thậm chí làm mát nhiều cấp độ cho các ứng dụng điều chỉnh bước sóng.
Pin là yếu tố hạn chế chính đối với thời gian bay của máy bay không người lái. Trong môi trường nhiệt độ cao, pin lithium-ion có thể gặp phải hiện tượng quá nhiệt, phồng rộp hoặc mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway). Ở nhiệt độ thấp dưới –10°C, dung lượng sử dụng được có thể giảm tới 30%.
Các hệ thống TEC có thể được tích hợp vào Hệ thống quản lý pin (BMS) nhằm cung cấp điều tiết nhiệt chủ động: làm mát khi nhiệt độ quá cao và sưởi ấm khi nhiệt độ quá thấp. Điều này giúp duy trì pin trong dải nhiệt độ hoạt động tối ưu từ 25–40°C, từ đó cải thiện cả tuổi thọ và hiệu suất sạc/xả.
Chỉ cần đảo ngược hướng dòng điện hiện tại, các mô-đun TEC cho phép kiểm soát nhiệt hai chiều một cách liền mạch, đáp ứng hoàn hảo nhu cầu sưởi ấm và làm mát kép của hệ thống pin máy bay không người lái.
Trong môi trường ở độ cao lớn hoặc khắc nghiệt, việc vận hành ổn định của bộ điều khiển động cơ và hệ thống servo là yếu tố then chốt.
Các mô-đun làm mát nhiệt điện có thể tản nhiệt từ các linh kiện điện tử công suất trong quá trình vận hành bình thường và chuyển sang chế độ sưởi ấm trong môi trường nhiệt độ thấp ở độ cao lớn, đảm bảo các thành phần điện tử luôn duy trì trong dải nhiệt độ hoạt động tối ưu. Điều này nâng cao đáng kể độ tin cậy của hệ thống đồng thời giảm bớt các yêu cầu thiết kế nghiêm ngặt về điều kiện môi trường.
Các trạm máy bay không người lái đóng vai trò như "trung tâm cơ sở" để sạc điện và đỗ xe trong môi trường ngoài trời. Hệ thống điều khiển nhiệt bên trong các trạm này trực tiếp quyết định khả năng đạt được hoạt động tự động hoàn toàn.
Vào mùa hè, nhiệt độ bên trong có thể vượt quá 60°C, làm giảm hiệu suất sạc và gia tăng rủi ro về an toàn. Vào mùa đông, nhiệt độ thấp làm giảm đáng kể dung lượng pin.
Một hệ thống dựa trên TEC có thể cung cấp cả chức năng làm mát và sưởi ấm chỉ bằng cách đảo chiều dòng điện. Khi kết hợp với cảm biến nhiệt độ độ chính xác cao và các thuật toán điều khiển PID, độ ổn định nhiệt độ trong khoảng ±0,1°C có thể đạt được.
Do các mô-đun TEC không có bộ phận chuyển động và không cần chất làm lạnh, chúng có độ tin cậy cao đối với các trạm drone được triển khai tại các môi trường xa xôi hoặc khó bảo trì như vùng núi hoặc mái nhà.
Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, việc tích hợp TEC vào các hệ thống drone vẫn là một thách thức kỹ thuật ở cấp độ hệ thống:
Phối hợp hiệu suất năng lượng: TEC về cơ bản là một bơm nhiệt. Nếu không có khả năng tản nhiệt đầy đủ ở phía nóng, hiệu suất của hệ thống sẽ suy giảm nhanh chóng. Trong các ứng dụng công suất cao, thường cần làm mát bằng khí cưỡng bức kèm theo tản nhiệt hoặc thậm chí là hệ thống làm mát bằng chất lỏng.
Kiểm soát nhiệt độ chính xác: Cần sử dụng cảm biến NTC độ chính xác cao kết hợp với các thuật toán PID để điều chỉnh công suất động và tối ưu hóa năng lượng.
Bảo vệ môi trường và thiết kế luồng khí: Vỏ ngoài máy bay không người lái yêu cầu đạt tiêu chuẩn bảo vệ IP65 trở lên, đồng thời luồng khí bên trong phải được thiết kế cẩn thận nhằm đảm bảo phân bố nhiệt đều.
Xem xét chi phí trong suốt vòng đời: Mặc dù chi phí ban đầu có thể cao hơn so với các giải pháp truyền thống, nhưng hệ thống TEC mang lại những lợi thế dài hạn như không có bộ phận chuyển động, không cần bảo trì chất làm lạnh và chi phí vận hành thấp hơn.
Tại P&N, chúng tôi thích xem TEC không chỉ đơn thuần là một thành phần làm mát, mà còn là một công cụ kiểm soát nhiệt độ chính xác.
Đối với máy bay không người lái, điều thực sự quan trọng không phải là nhiệt độ bản thân mà là độ ổn định lâu dài của các thành phần then chốt trong điều kiện vận hành.
Các ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau về độ chính xác nhiệt, mức tiêu thụ điện năng, trọng lượng và độ tin cậy. Do đó, mỗi giải pháp cần được thiết kế toàn diện theo hệ thống thay vì chỉ đơn thuần tối ưu hóa để đạt nhiệt độ thấp hơn.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ LiDAR, cảm biến hồng ngoại, trạm máy bay không người lái và các nền tảng hoạt động trong thời gian dài, chúng tôi tin rằng việc quản lý nhiệt chính xác sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong các hệ thống máy bay không người lái tương lai.
P&N sẽ tiếp tục hợp tác chặt chẽ với khách hàng nhằm khám phá thêm các giải pháp quản lý nhiệt bằng công nghệ nhiệt điện hiệu quả và đáng tin cậy hơn.
EN
