离子引擎供电电源的超高增益变换器及最佳负载点运行控制

The ion engine is a totally new power technique, which completely overcomes the shortages of traditional engines, i.e. problems of huge volume and noise, and it fully realizes zero-pollution. In the future, the ion engine will be the most potential application in traffic systems like renewable energy vehicles and airplanes. However, the biggest obstacle, which restricts the development of ion engine, is its power supply’s performances, including voltage gain, component stress, and load ability. To realize the requirement of that ion engine's power supply should be larger than 40000V, impedance matching and switching graph theories are combined to study a converter topology designing methodology for extreme-high voltage-gain, low component-stress, single-stage power topologies, which can well overcome traditional converters’ bottleneck problems of multi-stages and high component stress; In terms of the ion engine’s working mechanism, the ion extraction method is applied to study the ion engine’s power performance for seeking its optimal load point; In terms of the Gauss Law, an electrical model of ion load is built, and then an optimal-load-point tracking control strategy is designed to solve the ion engine’s problems, i.e. weak load ability and extremely low efficiency. This project aims to propel the development of ion engine, and effectively improve its energy efficiency, power density and performance characteristic, which will finally drive ion engine to real applications.

离子引擎是一种崭新的动力，它完全克服了发动机体积和噪音大的问题，并且彻底实现了零排放，未来有很大潜力应用于新能源汽车、飞机等交通运载工具。然而，制约离子引擎发展的最大障碍，是其供电电源的电压增益、器件应力、负载能力。本项目拟采用阻抗匹配和开关图论结合的系统化方法，根据离子引擎供电电压需大于40000V的要求，研究高电压、超高增益、低应力的单级变换器拓扑设计方法，攻克变换器级联级数多、器件应力高的技术瓶颈；根据离子引擎工作机理，采用离子引出分析法，研究离子引擎的动力特征，形成最佳负载点的确定方法；根据高斯定律，建立离子负载的电气模型，并据此进行最佳负载点跟踪控制方法研究，解决离子引擎供电电源负载能力差、效率极低的难题。项目的研究将推进离子引擎技术的发展，有效提高其电能转换效率、功率密度和运行特性，使离子引擎走向实际应用。

离子引擎是一种崭新的动力，它完全克服了发动机体积和噪音大的问题，并且彻底实现了零排放，未来有很大潜力应用于新能源汽车、飞机等交通运载工具。然而，制约离子引擎发展的最大障碍，是其供电电源的电压增益、器件应力、负载能力。本项目拟采用阻抗匹配和开关图论结合的系统化方法，根据离子引擎供电电压需大于40000V的要求，研究高电压、超高增益、低应力的单级变换器拓扑设计方法，攻克变换器级联级数多、器件应力高的技术瓶颈；根据离子引擎工作机理，采用离子引出分析法，研究离子引擎的动力特征，形成最佳负载点的确定方法；根据高斯定律，建立离子负载的电气模型，并据此进行最佳负载点跟踪控制方法研究，解决离子引擎供电电源负载能力差、效率极低的难题。 .项目围绕“高电压、超高增益、低应力的单级变换器拓扑设计方法”、“离子引擎的动力特征研究”、“最佳负载点跟踪控制方法研究”三个研究内容展开，已取得一定的科研成果：23篇SCI检索的期刊论文，其中有第一标注18篇；1篇第一标注的CSCD检索中国期刊论文；授权发明专利17项。超额完成科研任务指标。项目的研究将推进离子引擎技术的发展，有效提高其电能转换效率、功率密度和运行特性，使离子引擎走向实际应用。