Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

Les balais de démarreurs utilisent un mélange de graphite et de cuivre pour assurer la transmission du courant électrique dans un contact glissant. La densité de courant qu'ils subissent peut atteindre 300A et la vitesse de glissement 20m/s. Ces contraintes très sévères entrainent une usure rapide de ces balais. La conséquence directe est un nombre de cycles insuffisant face au nombre accru demandé par les consommateurs, notamment avec l'introduction de la fonctionnalité stop-start qui augmentent d'une façon brutale le nombre de démarrage d'un démarreur. Le but de la thèse est de comprendre le mécanisme d'usure de ces balais métal-graphite via la modélisation numérique et des essais expérimentaux réalisés sur un banc tribomètre. La compréhension passe au niveau général d'un milieu continu homogène discrétisé par des éléments discrets jusqu'à un mélange d'élément entre cuivre et graphite, pour avoir une appréciation plus approfondie du mode d'usure notamment concernant les deux éléments présents cuivre et graphite, en essayant de chercher une composition optimale. / We study the tribological behavior of brush-commutator contact for electrical starters. Such contact composed of metal-graphite brushes and a copper commutator is under extremely severe electrical and mechanical sollicitations during starting cycles. The direct impact of this is an insufficient number of cycles for stop-start applications before failure. Our goal is to study the effect of electrical current on the tribological behavior of the contact system using enhanced Discrete Element Method. The mechanical, electrical and thermal behaviors are computed for a elementary representative volume of contact system. The simulation results showed the impact of Joule heating on tribological behavior of contact accelerate the wear process of contact, suggesting a better brush material with better electrical conductivity, leading to the study of the impact of metal content on tribological behavior of contact, since metal elements can improve significantly the electrical conductivity of brush material.

Ce travail de thèse a été effectué au sein du Laboratoire GIPSA-Lab de Grenoble, sous la direction de Carlos Canudas de Wit et co-encadré par Franck Quaine et Violaine Cahouët.Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR-09-VTT-14-01/06 « VOLHAND ». Il s’inscrit dans le contexte général des nouvelles générations de Direction Assistée Electrique (DAE, ou EPAS en anglais pour Electronic Power Assistance Steering) avec pour objectif spécifique de tenir compte des caractéristiques des conducteurs à mobilité réduite. En effet, à ce jour, il n’existe pas de système de direction assistée adapté aux capacités articulaires (rhumatismes divers), musculaires (diminution de force, sénescence), ou encore aux douleurs ressenties par le conducteur. Le principal objectif de cette thèse est donc de proposer une méthodologie générale permettant d'adapter une DAE standard aux conducteurs à mobilité réduite. Le mémoire est organisé en cinq chapitres.Chapitre 1, intitulé Context and objectives of the study presente l’impact économique et sociétal, la problématique et l’objectif. Ensuite, la stratégie permettant d’atteindre l’objectif ainsi spécifié est précisée.Chapitre 2, intitulé Models for simulation, est dédié à l’établissement d’un modèle mathématique du système de DAEs prenant bien en compte l’élasticité en torsion de la colonne de direction due à la présence d’un capteur de couple. Parmi les entrées de ce modèle à deux degrés de liberté, une attention est faite en ce qui concerne la description du couple de frottement du contact pneumatique-route. Un modèle de frottement dynamique, basé sur le modèle de LuGre, est développé pour décrire ces phénomènes. Une amélioration du modèle est ainsi proposée.Chapitre 3, intitulé Oscillation annealing and torque observer design, commence par mettre en évidence les conséquences de la présence du mode souple associé à l’élasticité en torsion du capteur de couple sur le ressenti au niveau du volant. Une commande LQ est proposée pour limiter les oscillations dues à ce mode souple. Enfin, un observateur pour estimer le couple conducteur et le couple résultant du frottement pneumatique route est développé.Chapitre 4, intitulé Power steering booster stage, se focalise dans un premier temps sur la nature des courbes d’assistance utilisées dans le cadre des DAE. En effet, l’état de l’art sur le sujet met en évidence l’absence de justification de la forme de ces courbes généralement fonction de la vitesse du véhicule et du couple appliqué par le conducteur. Dans ce chapitre on propose de calculer de nouvelles lois en se fondant sur l’approche par optimisation (minimisation du jerk couplé avec la loi de puissance de Steven). Les résultats obtenus montrent que la minimisation du critère fondé sur le jerk du volant et la loi de puissance de Steven peut permettre de reproduire les lois existantes d’assistance et leur apportent une justification. Ils confirment également la forte influence du frottement (couple) au niveau du contact roue-sol. La seconde partie de ce chapitre est consacrée au développement d’une méthodologie générale d’adaptation des lois d’assistance (cartographie standard initiale) aux exigences du conducteur à mobilité réduite (typiquement ici une personne présentant une asymétrie.Chapitre 5, intitulé Experimental validation NeCS-Car benchmark, commence par détailler la plateforme expérimentale présente au laboratoire GIPSA-LAB et utilisée pour évaluer et valider les nouvelles lois d’assistance adaptées au conducteur à mobilité réduite. La stratégie globale d’assistance de couple au volant pour un conducteur présentant une asymétrie, est testée sur le banc avec la NeCS-Car. Les résultats issus du protocole montrent la validité de la stratégie proposée.Ce mémoire se termine avec une partie General conclusions and perspectives où les principales contributions sont d’abord rappelées, puis où des perspectives pour compléter et prolonger ce travail sont proposées. / Nowadays, vehicles have been widely equipped with power assistance steering systems and the way of providing assist torque is various. Electronic Power Assistance Steering (EPAS) systems have the tendency to replace the Hydraulic Power Assistance Steering (HPAS) systems, due to better fuel consumption, better road feel feedback to the driver and better return-to-center performance of the steering system. Actual EPAS systems are designed basing on a general driver’s profile and they try to mimic the behavior of the HPAS system. Main goal of this thesis is to propose a general methodology to adapt standard EPAS for drivers with reduced mobility. Toward this general goal, following contributions are integrant part of this thesis.First, a mathematical model of the steering system that keeps into account the torsion of the steering column is introduced. This model is influenced by two exogenous inputs: the tire-road friction torque and the driver's torque. Mathematical models for these inputs are also proposed. Due its importance on the steering system, great attention is dedicated to the description of the tire-road friction torque. This torque includes the contribution of two main phenomena: the self-alignment and the sticking friction torques. They appear, respectively, at high and low speeds of the vehicle. Dynamical friction models, based on the LuGre theory, are used to describe these phenomena.Then, a study of the steering model subject to the influence of exogenous inputs is done in open loop. This study shows that the steering column starts to oscillate when an exogenous input is applied. To delete low-frequency oscillations of the column, an optimal state-space control is introduced. Moreover, an observer is designed to estimate state variables of the system and exogenous inputs, acting on it.Third contribution of the thesis deals with the aim to provide some rationality to actual methods that are used to implement electronic power assistance on commercial vehicles. Indeed, investigations about actual assistance systems do not provide ground foundations or evidence that the current assistance is optimal for the driver in any sense. At this aim, an optimization procedure is proposed to retrieve the shape of the steering assistance, starting from the analysis of the steering movement, in case of a general driver's profile, and the analysis of the human perception face to an external stimulus.After that, a procedure to adapt the standard steering assistance to the driving of disabled people is proposed. As there is not any classification of drivers according to their pathology, attention focuses on drivers affected by diseases to the upper limbs that cause an asymmetry into the torque production on the steering wheels. A study about main problems that these patients are dealing during some critical driving manoeuvres is done. Starting from this, a compensation procedure is proposed to modify the standard power steering assistance. This procedure is validated in simulation. Moreover, objective evaluation criteria are derived to test improvements due to the proposed assistance.Finally, the experimental validation of all elements proposed in the general methodology is done on the tele-operation platform, present at the laboratory Gipsa-LAB. This system is made up of a control station with the operator, a pc-unit and a tele-operated vehicle, that allows retrieving a real profile of tire-road friction torque. Results about these experimental tests validate benefits of the adaptation methodology. They represent also the starting point for the installation of the proposed assistance on a real vehicle and set the basis for the application of the methodology for a wider class of patients, affected by different pathologies.

L'arrivée massive de la production décentralisée, l'intégration de technologies d'information et de communication et de convertisseurs d'électronique de puissance permettent aux réseaux électriques de devenir plus flexibles, plus accessibles, plus efficaces. Mais ils deviennent aussi plus complexes et plus difficiles à modéliser, à analyser et à dimensionner. Dans cette thèse, nous allons nous focaliser sur le problème de la modélisation dynamique du réseau électrique. En effet, la complexité du fonctionnement du réseau électrique moderne rend encore plus indispensable de comprendre comment il se comporte suite à des perturbations ou tout simplement à des changements de son état de fonctionnement. C'est cette compréhension qui doit permettre d'éviter que le réseau perde sa stabilité. Grâce aux modèles développés dans la thèse, on veut notamment retrouver des liens de connaissance forts entre le comportement dynamique et les propriétés topologiques du réseau. On espère ainsi pouvoir fournir à termes des préconisations pour l'évolution des topologies de réseaux ou de leurs modes d'exploitation. Pour mener à bien ce travail, l'invariance d'échelle d'un réseau électrique est tout d'abord explorée. Pour cela, des méthodes issues de la géométrie fractale sont exposées et appliquées à des réseaux réalistes. Partant du constat que les réseaux électriques étudiés présentent une invariance d'échelle sur une plage d'observation importante, une nouvelle modélisation dynamique est proposée. Cette modélisation a l'intérêt d'une représentation plus parcimonieuse que les représentations classiques par des approches boite noire et permet de conserver des liens de connaissance avec entre la topologie et les propriétés dynamiques. / The influx of distributed generation, the integration of information as well as communication technologies and the integration of electronic power converters allows electrical grids to become more flexible, more accessible and more effective. However they become at the same time more complex thus making the modeling, analyzing and sizing more difficult. This thesis will focus on the problem of dynamic modeling of electrical networks. Indeed, the operation's complexity of the modern power grid makes it even more essential to understand how it behaves after disturbances or just simply after changes in operation condition. It is this understanding that should allow one to prevent the case that the system loses its stability. With models developed in this thesis, we particularly want to find strong links between the dynamic behavior and the topological properties of the network. It is hoped to provide eventually propositions for evolution of topology or operation modes of networks. To carry through this study, the scale invariance of an electrical network is first explored. For this purpose, methods issued from fractal geometry are presented and applied to realistic networks. Noting that the considered electrical networks exhibit scale invariance over a large observation range, a new dynamic modeling is proposed.

Les sociétés rurales sont caractérisées par des modes de vie et de déplacement quotidiens particulièrement dépendants du mode automobile, et la mobilité est, depuis longtemps déjà, un enjeu central des politiques publiques qui leur sont destinées. Les collectivités rurales sont prises dans une tension entre l'injonction à adopter des mobilités plus diversifiées, plus économes, et, en même temps, un climat d'incertitudes et des contraintes politiques et budgétaires qui freinent les choix de rupture. La thèse analyse les conditions d'émergence d'une offre de publique en faveur de l'électromobilité alors qu’une multitude de dispositifs encouragent l'introduction de voitures électriques, de vélos à assistance électrique et de bornes de recharge. Les acteurs ruraux s'en saisissent-ils pour autant ? Et de quelle manière ? La recherche questionne donc les modalités particulières du saisissement des instruments d’incitation liés à l’électromobilité dans les petites collectivités rurales et étudie la manière dont celles-ci acceptent, en la reformulant, cette injonction à la modernité et au changement. L'hypothèse centrale de cette thèse est que l'émergence de l'offre électromobile dans le monde rural fait l'objet d'une construction et d'une mise en forme conjointe, mais loin d'être consensuelle, entre le monde local (usagers, élus, opérateurs privés) et les acteurs extérieurs. En mobilisant une approche pluridisciplinaire, le déploiement très progressif de l’électromobilité est analysé dans le cadre d'une démarche de recherche menée dans la Manche et en Aveyron. Après une contextualisation de l’émergence des politiques électromobiles dans les deux territoires étudiés, la thèse montre comment ce nouveau champ de l'action publique permet aux élus ruraux d'adopter avec prudence et sans renier l'automobilité auxquels ils restent attachés, un nouveau référentiel de mobilité durable. L’électromobilité est une proposition saisie ou détournée, discutée et expérimentée avant d'être éventuellement intégrée à une stratégie territoriale en fonction des ressources et du rôle de l’acteur local. Ensuite, après avoir constaté la très grande diversité des thématiques qui introduisent l'offre politique de l’électromobilité dans les territoires ruraux, la thèse propose une typologie pour mieux comprendre le foisonnement de micro-projets électromobiles et les visées auxquelles est censé répondre du point de vue des élus. L’appropriation de l’électromobilité est engagée via une pragmatique locale par des acteurs à la recherche d’un nouveau modèle d’aménagement rural. Nous montrons, à travers quelques projets de plus grande envergure visant à déployer des bornes de recherche ou des véhicules à hydrogène, que le déploiement électromobile est aussi un objet de pouvoir. Dans deux départements marqués historiquement par la production électrique (l'une d'origine nucléaire, l'autre hydroélectrique) et donc par les proximités historiques de l'industriel et du monde politique local, la thèse montre le saisissement stratégique de l’électromobilité par des acteurs locaux, comme les syndicats départementaux d’énergie. Il s’agit de promouvoir un nouveau modèle économico-énergétique territorial tout en maintenant les proximités politico-industrielles de toujours. L'un des principaux résultats est le constat de l'écart entre l'apparence d'intense renouvellement que relaient les discours et la mise en scène de l'offre politique et le saupoudrage presque anecdotique des projets réels. Ces démarches semblent porter les ferments d’une réinvention économique, territoriale et sociale du monde rural très ambiguë. D'un côté, l'électromobilité est utilisée au profit de stratégies de conservation de rapports de pouvoir, même si certaines formes d'appropriation de l'électromobilité reconfigurent discrètement les cadres de production des politiques publiques d'aménagement rural, débouchant sur une image de la transition mobilitaire rurale plurielle, sinon divergente / Renewed mobility policies have been developed since the mid-2000s in French rural areas, which are particularly car dependent. Local authorities have chosen to offer alternatives to automotive mobility. This thesis analyzes the emergence of public electric mobility policies, while national or European incentives encourage their development (cars, bicycles, charging stations). Do rural actors seize these incentives? And how? This study questions therefore the particular ways in which the incentive mechanisms related to electromobility in small rural communities are taken advantage of and how local authorities consent to this encouragement to change. The main hypothesis of this research is that the emergence of e-mobility in rural territories is elaborated and shaped by both local stakeholders and external actors, not always in consensual ways. With a multidisciplinary approach, we study the gradual deployment of e-mobility in two French territories, the Manche department and the Aveyron department. This study is based on the monitoring of several projects, and on interviews of local stakeholders.Our results show how e-mobility is used by local stakeholders to negotiate the turn toward a more sustainable rural transportation network and to reconsider the automobility system. It is seized, discussed, tested or rejected and might be integrated into a territorial strategy, depending on the resources and on the role of local actors.E-mobility is undertaken in several ways. First, it is implanted in a diversity of local public policies (tourism, social inclusion, environment), within smaller projects such as electric bike rental or electric car sharing system. It emerges through practical initiatives which stakeholders come up with in search of new mobility systems for the territory.Secondly, we show that e-mobility is a strategic tool, in larger projects (hydrogen, charging stations) in order to promote an energy system for the territory. In two territories historically shaped by electrical production (nuclear power and hydroelectric power), we demonstrate that e-mobility represents a powerful tool in the context of an energy transition, as it enables stakeholders to secure their role within these territories.The movement toward this innovation is made in the continuity of the rural and local policies, targetting isues such as tourism or local economy, and in connection with the national energy policies of energy transition. Finally, we hypothesize that these projects can also lead to discontinuities, to a reinvention of the rural, toward a new energy network, and new mobilities.

Dans un marché électrique concurrentiel, EDF a adapté ses outils de gestion de production pour permettre une gestion optimale de son portefeuille, particulièrement sur les horizons journaliers et infra-journaliers, derniers leviers pour une gestion optimisée de la production. Et plus l'horizon d'optimisation s'approche du temps réel, plus les décisions prises aux instants précédents deviennent structurantes voire limitantes en terme d'actions. Ces décisions sont aujourd'hui prises sans tenir compte du caractère aléatoire de certaines entrées du modèle. En effet, pour les décisions à court-terme, la finesse et la complexité des modèles déjà dans le cas déterministe ont souvent été un frein à des travaux sur des modèles tenant compte de l'incertitude. Pour se prémunir face à ces aléas, des techniques d'optimisation en contexte incertain ont fait l'objet des travaux de cette thèse. Nous avons ainsi proposé un modèle robuste de placement de la production tenant compte des incertitudes sur la demande en puissance. Nous avons construit pour cette fin un ensemble d'incertitude permettant une description fine de l'aléa sur les prévisions de demande en puissance. Le choix d'indicateurs fonctionnels et statistiques a permis d'écrire cet ensemble comme un polyèdre d'incertitude. L'approche robuste prend en compte la notion de coût d'ajustement face à l'aléa. Le modèle a pour objectif de minimiser les coûts de production et les pires coûts induits par l'incertitude. Ces coûts d'ajustement peuvent décrire différents contextes opérationnels. Une application du modèle robuste à deux contextes métier est menée avec un calcul du coût d'ajustement approprié à chaque contexte. Enfin, le présent travail de recherche se situe, à notre connaissance, comme l'un des premiers dans le domaine de la gestion optimisée de la production électrique à court terme avec prise en compte de l'incertitude. Les résultats sont par ailleurs susceptibles d'ouvrir la voie vers de nouvelles approches du problème. / Robust Optimization is an approach typically offered as a counterpoint to Stochastic Programming to deal with uncertainty, especially because it doesn't require any precise information on stochastic distributions of data. In the present work, we deal with challenging unit-commitment problem for the French daily electricity production under demand uncertainty. Our contributions concern both uncertainty modelling and original robust formulation of unit-commitment problem. We worked on a polyhedral set to describe demand uncertainty, using statistical tools and operational indicators. In terms of modelling, we proposed robust solutions that minimize production and worst adjustment costs due to uncertainty observation. We study robust solutions under two different operational contexts. Encouraging results to the convex unit-commitment problems under uncertainty are thus obtained, with intersting research topics for future work.

L’analyse de stabilité en régime transitoire du réseau de transport électrique permet de contrôler le bon retour au régime stationnaire du système soumis à une perturbation. Cette analyse systématique des systèmes de réseaux en développement permet notamment d’optimiser la production et la consommation de l’énergie électrique, et de protéger les équipements tels que les centrales électriques, les transformateurs, les lignes haute-tension, etc. Afin d’améliorer la stabilité, la robustesse et la viabilité de ces systèmes, la tendance est à l’interconnexion des réseaux de transport régionaux et nationaux, et ainsi, au développement et à l’analyse de systèmes toujours plus grands. Le problème de stabilité électrique peut être simulé numériquement grâce à l’intégration d’un système d’équations algébro-différentielles non-linéaire et raide. Lorsque le problème traité est très grand, la simulation numérique devient très coûteuse en temps de calcul et ralentit considérablement le travail des professionnels du secteur. Cette thèse a pour but de proposer, d’étudier, et de développer des méthodes innovantes de calcul parallèle pour la résolution des systèmes d’équations différentielles issus de la simulation de grands réseaux électriques tel que le réseau européen. Dans ce manuscrit, on livre une analyse des propriétés de ces systèmes assez spécifiques : creux, irréguliers, non-linéaires, raides et hétérogènes. On discute notamment de la structure particulière de ces systèmes qui rend attrayante l’application d’une méthode de décomposition de domaine. On étudie ainsi plusieurs méthodes de parallélisation en espace : la parallélisation fine de chaque opération coûteuse, la résolution du système non-linéaire par décomposition en sous-réseaux faiblement couplés, d’abord sur chaque étape d’intégration, puis par méthode de relaxation d’ondes. On aborde aussi la parallélisation en temps de type algorithme Pararéel ainsi qu’une méthode parallèle espace-temps bénéficiant des propriétés couplées des méthodes de relaxation d’ondes et de Pararéel. Dans ces travaux, nous proposons des méthodes assurant la convergence rapide des méthodes de décomposition de domaine quel que soit le nombre de sous-domaines et de processeurs employés. Nous introduisons pour cela des techniques de préconditionnement en espace adéquates afin d’améliorer la scalabilité des méthodes de parallélisation envisagées. / Power system transient stability analysis enables to control the return to equilibrium of the system subjected to a disturbance. This systematic analysis of developing transport networks allows to optimize the production and the consumption of electric power and to protect the equipments such as power plants, transformers, highvoltage lines and so on. In order to improve the stability, the robustness, and the sustainability of these systems, a worldwide trend is to interconnect regional and national transport networks. This leads to analyze ever larger systems. The power-stability problem can be numerically simulated owing to the integration of a differential-algebraic system which is nonlinear and stiff. When considering a very large problem, numerical simulation is very time consuming and significantly slows down the work of professionals. This thesis aims at studying innovative parallel computing methods for the resolution of differential systems arising from the transient stability analysis of large power systems such as the European Transport Network. In this manuscript, we first deliver an analysis of the properties of these rather specific systems: sparse, irregular, nonlinear, stiff, and heterogeneous. We discuss the particular structure of these systems making the application of a domain decomposition method interesting. Thus, we study several space parallelization methods: the fine parallelization of each costly tasks, the resolution of the nonlinear system by decomposition into weakly coupled subnetworks, first on each integration step separately, and then by waveform relaxation method. We also address the time parallelization with a Parareal-based algorithm and a space-time parallel method which benefits from the coupled properties of waveform relaxation and Parareal methods. In this work, we focus on methods which ensure a fast convergence of domain decomposition methods whatever the number of subdomains/processors used. In order to achieve such a goal, we introduce space preconditioning techniques to improve the scalability of the parallelization methods considered.

Dans ce travail faisant partie du projet FUI COMET (AAP9), nous avons dans un premier temps réalisé volontairement des contaminations métalliques pour différents contaminants (Ni, Mo, Cr, Fe, Au) à des doses maîtrisées soit en surface par spin coating, soit dans le volume par implantation ionique de wafers de silicium. Puis divers composants (diodes, transistor MOS ...) ont été fabriqués sur ces plaquettes contaminées.Ensuit, pour bien étudier l’impact de la contamination métallique sur des performances des composants, des caractérisations électriques ont été menées sur ces échantillons : caractéristiques Courant-Tension I(V), Capacité-Tension C(V) et ZERBST. La contamination surfacique par le nickel a présenté un impact important sur la dégradation de la durée de vie de génération des porteurs minoritaires. L’étude des caractéristiques I(V) sur des échantillons implantés par le molybdène a révélé une augmentation nette du courant inverse d’une diode Schottky avec un effet de dose cohérent. Les nombreuses mesures électriques sur les dispositifs fabriqués dans l’industrie (procédé MOS) sur des wafers contaminés volontairement par dépôt en solution sur la surface de silicium de Ni, Mo et Cr juste avant le début du procédé de grille ont montré l’absence d’influence significative de dégradation des performances des composants.Enfin, le logiciel SYNOPSYS SENTAURUS TCAD a été utilisé pour développer des modèles spécifiques permettant de reproduire l’impact des contaminants métalliques sur les caractéristiques ou la fiabilité des composants. / In this work which is part of the FUI project COMET (AAP9), intentional metallic contaminations have been realized for different contaminants (Ni, Mo, Cr, Fe, Au) either on the surface of silicon wafers by a spin-coating technique or in the bulk of silicon wafers by ion implantation. Then various devices (diodes, MOS transistor ...) were fabricated on these wafers contaminated.Secondly, in order to study the impact of metallic contamination on the performance of devices, some electrical characterizations have been carried out on these samples: Current-voltage characteristics I(V), Capacitance-Voltage C(V) and ZERBST. Surface contamination by nickel resulted in a significant impact on the degradation of the generation lifetime of minority carriers. The study of the characteristics I(V) on implanted samples by molybdenum showed that the reverse current of a Schottky diode increased with the concentration of contamination. The numerous electrical measurements on devices manufactured in the industry (MOS process) on wafers which have been contaminated intentionally by deposition solution on the silicon surface of Ni, Mo and Cr before the MOS process showed the absence of significant influence of degradation on the performances of devices.Finally, the software SYNOPSYS Sentaurus TCAD was used to develop the models to reproduce the impact of metallic contaminants on the electrical characteristics or reliability of the devices.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de conception d’une stratégie de gestion de l’énergie dans un système hybride de génération d'énergie électrique composé d’une pile à combustible (PC) et un module de supercondensateurs (SC). La source hybride fournit une puissance maximale de 1,2 kW et sa conception implique des décisions concernant la sélection de l’architecture du système hybride ainsi que le choix de la topologie et le dimensionnement d’une unité de convertisseurs. La stratégie de gestion vise à satisfaire la demande d’énergie électrique de la charge et favoriser la consommation énergétique efficiente ; sa performance est évaluée en développant un simulateur qui comprend la dynamique des éléments mis en jeu : deux sources et l’unité de convertisseurs. Le générateur hybride est supposé alimenter un profil de consommation correspondant à un véhicule électrique, de ce fait un cycle standard de conduite en ville en échelle est demandé lors des simulations, ce qui permet d’évaluer la performance du générateur hybride et plus spécifiquement de la stratégie de gestion énergétique.Dans une première étape de cette thèse, un simulateur intégral a été construit avec des librairies de Simscape. Le simulateur est constitué des blocs de différents domaines, contenant des modèles fondamentaux des composants du système. Le block de pile à combustible modèle la dynamique d’un système BAHIA® (400 W - 1100 W, 0 A - 70 A nominale) et le block de supercondensateur modèle les cycles charge-décharge d’un module Maxwell de 400 F et 16 V. Un onduleur de tension pont complet avec convertisseur élévateur conditionne l’énergie délivrée par la pile à combustible et un convertisseur bidirectionnel (buck-boost) est connecté au module de supercondensateurs afin de conditionner les cycles de charge-décharge. L’unité des convertisseurs a été dimensionné, puis, un modèle moyen de petits signaux a été formulé afin de décrire la dynamique de ces dispositifs. Les différents composants ont été intégrés dans l’environnement Simulink. Dans une deuxième étape, la stratégie de gestion énergétique a été conçue en considérant les caractéristiques et performances des sources ; le résultat est une stratégie de trois niveaux hiérarchiques, dont l’aspect principal es la définition des lois de commande locales et globale. Dans une troisième étape, le système complet est évalué en termes du niveau d’utilisation des sources, du domaine d’opération de la pile à combustible, et de l’accomplissement des objectifs des commandes locales et global, qui engagent notamment le SOC des supercondensateurs et la régulation de la tension du générateur hybride. / Energy generation from fossil fuels combustion is predicted to have severe future impacts in the world’s economy and ecology. Fuel cells and supercapacitors are an alternative power source, environmentally friendly.This dissertation presents a regulation architecture developed to coordinate a hybrid renewable source for typical solicitations of electric vehicles in a scaled operating range of 1 kW. The hybrid system is composed of a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell module, a supercapacitors bank and their respective power conditioning units. In order to optimize the overall operation, the proposed strategy is organized into three hierarchical levels, and the power demand for each energy source is determined in real time with a basis on a frequency distribution and a cutoff frequency, defined in accordance with the dynamical capabilities of the sources.Even if numerous researches have been reported on the subject, few studies have taken into account the proper dynamics of each source in order to optimize the global performance of the hybrid power supply.The goal of this work is to implement a complete simulator integrating not only dynamical models of each energy source, but also dynamical models of the power conditioning units. The control strategy consists of nested loops, arranged in three functional levels of hierarchy. The central idea is to find the optimal set point for each energy source, according to their own physical properties. Contrary to the existing control strategies, this strategy dynamically calculates the appropriate power demand for each energy source. Due to the complexity of the system, cascade control loops are proposed, organized into blocks, according to the system functionality and dynamics.A functional simulation is obtained, where the system ensures the adequate supercapacitor state of charge and soft current demands to keep the fuel cell working in its safe operating region. Thus, lower fuel consumption and rapid response to load demands are guaranteed to improve efficiency.Results demonstrate that the control strategy allows the regulation of the DC bus voltage under UDDS and ECE-15 driving cycles as load profiles. The fuel cell works within its maximum efficiency region, without falling in the degradation zone. In addition, the supercapacitor state of charge remains within the recommended range.

Malgré le mécanisme de base du transport protonique (PT) dans l'eau ait été proposé en 1806, à ce jour il n'existe pas de théorie complète qui décrive la protolyse. Ce phénomène est à la base du fonctionnement des batteries à hydrogène et de nombreux processus biologiques. Grâce à la technique de dynamique moléculaire Car-Parrinello (CPMD) et à l'aide de l'application d'un champ electrique (EF), une partie de cette thèse a été consacrée à l'étude du PT dans deux phase de la glace: la phase Ih et sa contrepartie ferroélectrique, la glace XI. Certains mécanismes ont été révélés: le rôle joué par les oxygènes lorsque se produit le PT et la contribution du (dés)ordre afin d'assister ce processus [1,2]. Le phénomène du PT est aussi à la base de nombreaux convertisseurs d'énergie constitués par le méthanol tels que le Direct Methanol Fuel Cells et les membranes Nafion. Afin de révéler la nature intime du PT dans le méthanol liquide, une série de simulations CPMD ont été menées sous l'effet d'un EF extérieur. De cette façon il a été possible de comparer le rôle joué par les liasons hydrogène afin d'assister le PT [3]. De plus, quand les intensités du champ sont plus élevées que celles qui donnent lieu au PT, certaines réactions chimiques ont été observées dans le même échantillon "numérique" du méthanol. En exploitant des paramètres typique de la "Théorie de la fonctionnelle de la densité conceptuelle", il a été possible de clarifier les conditions qui donnent lieu à ces réactions chimiques. Enfin, afin de quantifier la contribution du EF à la formation de méthane et de formaldéhyde dans le système, des simulations de métadynamique en conjonction à ceux ab initio ont été menées. / Although the basic mechanism of the proton transfer (PT) phenomenon in water has been envisaged in 1806, nowadays does not exist a detailed theoretical framework that envelop the protolysis process. This phenomenon is at the base of the operation of hydrogen batteries, as well as of many biological processes. Via the Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD) technique and by means of the application of an electric field (EF), part of this thesis has been devoted to the detailed study of PT in two ice phases: ice Ih and its ferroelectric counterpart, ice XI. Several previously unknown mechanisms have been shown. As an example, the role played by the oxygens when a PT occurs and the contribution due to (dis)order in assisting this process [1,2]. The PT phenomenon is also at the base of the functioning of some methanol-based energy converters such as Nafion membranes. To the aim of disclosing the intimate nature of PT in liquid methanol, a series of CPMD simulations have been carried out by applying an external EF; the role played by the H-bond network have been also compared with the similar PT mechanism in water [3]. At field strengths higher than those leading to PT, several chemical reactions have been observed in this sample. By exploiting the conceptual Density Functional Theory framework, it has been possible to clarify the circumstances under which a given chemical reaction occurs. Moreover, in order to disclose the role played by the EF in assisting chemical reactions, the mechanism leading to the formation of formaldehyde and methane in the sample has been studied with metadynamics approaches in conjuction with the ab initio ones.