Les systèmes de stockage de l'énergie électrique de forte capacité sont configurés en systèmes matriciels de cellules élémentaires. Les caractéristiques électriques de ces cellules n'évoluent pas toutes de manière identique, diminuant la disponibilité, à court terme par décharge rapide, à long terme en réduisant la durée de vie. Pour améliorer ces performances, des cellules redondantes et des circuits d'équilibrage sont insérés pour assurer une reconfiguration adéquate. Il devrait être possible d'accroître la disponibilité en reconfigurant les connexions internes. Nous comparons deux solutions classiques : série-parallèle (SP) et parallèle-série (PS) avec une nouvelle permettant de redistribuer le courant dans une batterie : le C-3C. Les performances sont évaluées en terme de fiabilité et de disponibilité. Nous proposons également un algorithme de pilotage adapté. La fiabilité est améliorable par redondance. Les cellules supplémentaires seront utilisées pour remplacer des cellules affaiblies. Le système peut également être conçu pour tolérer la défection d'une partie des cellules. Nous démontrons par des diagrammes de fiabilité et des chaînes de Markov que les architectures C-3C et PS présentent le même niveau de fiabilité, supérieur à celui d'une architecture SP. La durabilité des structures peut être améliorée en pilotant la mise en service des ressources disponibles selon différentes stratégies déclinées dans un algorithme de choix fondé sur les États de charge ou les États de Santé. Nous avons modélisé une cellule sous Matlab, en simulant les paramètres de vieillissement et leur évolution dynamique. Ainsi quelle que soit l'architecture, pour peu qu'elle comprenne une part minimale de redondance, une adéquate gestion différentiée des cellules permet une amélioration de la disponibilité de 40%. Par souci de reproductibilité, nous avons également modélisé ces structures par un réseau de Petri coloré, de manière à esquisser l'instrumentation et le dimensionnement de la commande. / High-capacity electrical energy storage system (EESS) are often matrix-organized system with a large number of elementary storage cells. Due to manufactoring tolerances and their individual use, the electrical characteristics of these cells do not evolve in the same way. These imbalances reduce operative dependability, in the short term by contributing to a decrease of the charge-discharge capacity, in the long-term by shortening lifetime. To improve storage performance, redundant cells can be added. It is also possible, in order to increase efficiency of stored energy restitution, to balance electrical characteristics by using energy exchange forced by an adequate configuration. It should therefore be possible to increase long-term operative dependability by reconfiguring internal connections in dynamic mode. Parallel-series (PS) architecture EESS consists of the series association of blocks, made up of several cells connected in parallel. Series-Parallel dual solution (SP) associates strings of cells in parallel. If other architectures are being studied, often requiring several switches per cell to reconfigure the matrix, we propose in this thesis a new architecture, called C3C, satisfying an acceptable level of reliability and distributing current flows. We then compare the classic solutions and the C3C in terms of reliability and the long-term operative dependability and propose a reflection on the possibilities to discrete control aspects to pilot architecture with a suitable control algorithm. The reliability of any structure can be improved by redundancy, with additional cells that will be used either to replace failing cells or temporarily supplemeting the weak ones. The system may also be designed to tolerate the defect of a portion of the cells. We demonstrate by modeling reliability diagrams and Markov chains that the C3C and PS architectures have a much eigher level of reliability than a SP architecture. The sustainability of these structures can also be improved by piloting activating and rest of the available resources according to different strategies in a choice algorithm based on SoC (State of Charge) or SoH (State of Health) of each cell. To do this, we model a cell on Matlab, precisely simulating the aging parameters and their dynamic evolution. It emerges that, whatever the architecture, if it includes a minimal share of redundant cells, an adequate differentiated management of the cells allows an improvement of the long-term operative dependability of nearly 40% on average. In order to study the reconfigurability control of architectures, we propose a model based on Discrete Event Systems through a colored Petri net. Simulation of this model has reinforced the behaviors already identified.

La récupération d'énergie ambiante est une solution efficace et respectueuse de l'écosystème pour alimenter de manière autonome des nœuds de capteurs. La pile microbienne benthique (BMFC) est un système récupérant l'énergie de la biomasse sédimentaire à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries présentes naturellement dans le milieu. Bien que prometteuse comme source d'énergie long terme pour des capteurs marins, ses niveaux de puissance (autour de 100 µW) et de tension (0,6 V en circuit ouvert) nous engage à mener une réflexion sur la conception de son interface électronique de récupération. La première partie de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Une seconde partie s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique des BMFCs dans le domaine statique puis dynamique, en vue de concevoir le circuit de récupération de manière appropriée. A l’aide du modèle électrique statique, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum de puissance et maximiser le rendement de conversion. Le choix se porte sur le convertisseur flyback en mode de conduction discontinue. A l’aide d’un modèle prédisant les pertes du flyback validé expérimentalement, une étude portée sur la fréquence de découpage, le rapport cyclique et le choix des inductances couplées a permis d’atteindre un rendement de 82% et 64% pour une BMFC délivrant respectivement 90 µW et 30 µW. Une dernière partie s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC. Notamment, l’intérêt du suivi du MPP est discuté et l’influence du comportement commuté du flyback sur les pertes dynamiques supplémentaires au sein de la BMFC est analysée grâce au modèle électrique dynamique de la BMFC déduit au second chapitre. / Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter.

Le problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire. / The problem of speed sensorless control of induction machine is a well-studied problem in the field of automatic control and electrical engineering. This work addresses the problem of the feasibility of induction machine control over the whole speed range and for any type of induction machine, aiming at being used in a railway application. An intensive study of observability has defined a continuous quantitative measurement of the speed observability, named observability index. An observer was developped to confirme the correspondence between low-observability index areas and poor observation quality. The observability index defined in this thesis is thus a way to predict the observation performance of systems. The main originality of the work presented in this thesis is the use of this observability index in the induction machine speed sensorless drive. By taking advantage of the degree of freedom given by the variation of the flux amplitude, we propose to guarantee the observability index value above a given threshold while respecting the other constraints of the control. The speed observation becomes precise over the entire speed range, and a long time operation is possible on any point, without interfering with torque regulation. Experiments on real-time simulator confirm these results, including when slipping and sliding occurs. The electrical parameter observation is also studied to ensure the accuracy of speed observation. For this, the sensitivity of the speed observation to electrical parameter variations and the observability of these parameters are studied, leading to the definition of the electrical parameter observation strategy. The testings on power bench, and in real application on a regional train, validate the performance of the speed sensorless drive proposed on the entire speed range, and its suitability to the constraints of a railway application.