Les batteries lithium-ion s'affichent comme de bons candidats pour assurer le stockage réversible de l'énergie électrique sous forme électrochimique. Toutefois, elles sont à l'origine d'un certain nombre d'incidents aux conséquences plus ou moins dramatiques. Ces incidents sont souvent liés au phénomène d'emballement thermique. La sécurité des batteries Li-ion représente par conséquent un enjeu technique et sociétal très important. C'est dans ce contexte que vient s'inscrire ce travail de thèse dans le cadre d'une collaboration entre IFPEN, l'INERIS et le LISE. Une double approche de modélisation et expérimentation a été retenue. Un modèle 3D du comportement thermique a été développé à l'échelle de la cellule, couplant les phénomènes thermiques et chimiques, et prenant en compte le vieillissement par croissance de la SEI sur l'électrode négative. Le modèle a été calibré pour la chimie LFP/C sur deux technologies A123s (2,3 Ah) et LifeBatt (15 Ah), puis validé expérimentalement. Le modèle permet d'identifier les paramètres critiques d'emballement de cellules, il permet également de discuter l'effet du vieillissement sur l'emballement thermique. Grâce à l'expérimentation, les connaissances en termes d'amorçage et de déroulement d'un emballement thermique d'une batterie Li-ion, ont pu être enrichies, en particulier pour les cellules commerciales LFP/C cylindriques A123s, LifeBatt, et pour les cellules NMC/C prismatiques en sachet souple PurePower (30 Ah). Cette étude ouvre de nouvelles possibilités pour améliorer la prédiction des différents événements qui ont lieu lors de l'emballement thermique des batteries Li-ion, à différentes échelles. / Li-ion secondary batteries are currently the preferred solution to store energy since a decade for stationary applications or electrical traction. However, because of their safety issues, Li-ion batteries are still considered as a critical part. Thermal runaway has been identified as a major concern with Li-ion battery safety. In this context, IFPEN, INERIS and LISE launched a collaboration to promote a PhD thesis so called « understanding and modeling of thermal runaway events pertaining to new and aged Li-ion batteries ». To achieve this goal, a double approach with modeling and experimental investigation is used. A 3D thermal runaway model is developed at cell level, coupling thermal and chemical phenomena, and taking into account the growth of the SEI layer as main ageing mechanism on negative electrode. Advanced knowledge of cells thermal behavior in over-heated conditions is obtained particularly for commercial LFP / C cylindrical cells: A123s (2,3Ah), LifeBatt (15Ah), and NMC / C pouch cells: PurePower (30 Ah). The model was calibrated for LFP / C cells, and then it was validated with thermal abuse tests on A123s and LifeBatt cells. This model is helpful to study the influence of cell geometry, external conditions, and even ageing on the thermal runaway initiation and propagation. This study opens up new possibilities for improving the prediction of various events taking place during Li-ion batteries thermal runaway, at various scales for further practical applications for safety management of LIBs.

Wireless and mobile communications are already playing an important role in our lives, and this will can only grow more and more due to the predominant importance and use of modern smartphones, tablets and any kind of connected devices. With this is mind, the spectrum for wireless and mobile communications is becoming incredibly overcrowded, leading to increasing requirements for RF front-end filters. This progress has encouraged an impressive need for developing low-cost, high performance, mass-producible, small footprint, and highly integrated front-end solutions for microwave and millimeter-wave systems and applications including emerging 5G and future wireless platforms. In this context, high quality factor resonators are usually typical basic building blocks of many high performance passive and active circuits, and its design has become even more challenging in the last decade. As a result, Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology has attracted scientific community and industry attention as a very good candidate for developing such desired high-Q planar microwave devices. Recently, SIW is demonstrating to be a successful approach for implementing microwave and mm-wave filters with high Q-factor, easy integration with other planar circuits, and for mass-production manufacturing processes in many technologies (i.e. Printed Circuit Board (PCB) and Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC) technologies among them). Its enormous similarity with waveguides is probably one of the main reasons why the development of SIW-based components and circuits is rapidly growing among the research community. Other potential features that, combined with the former advantages, could be of huge interest in a wide range of wireless and mobile applications are a lively set of research subjects, such as compactness, advanced filtering responses, and recently frequency-agility capabilities. These key features have been recently introduced in the design of microwave filters for the next-generation wireless systems. Taking into account the above-mentioned background, the work carried out during the course of this PhD Thesis has been directed towards a further study of SIW technology to propose, analyze and develop an innovative and original resonator topology. The proposed topology is based on the extension of the classical coaxial waveguide resonator to SIW technology, and must take advantage of the characteristics of SIW devices to allow the design of improved and innovative microwave resonator filters for advanced wireless systems. This PhD Thesis includes the latest improvements made on this topic, from the working principles of the basic coaxial SIW block, until different applications for the design of compact quasi-elliptic and reconfigurable microwave filters. The results are promising and demonstrate the validity of the proposed topology for the design of high-Q microwave filters, as well as its potential application to implement complex designs. The general knowledge gained from these cases of study can be considered a good base for further developing this technology, which can help to improve its EM performance, and also contribute to a more general use in the market. / Las comunicaciones inalámbricas y móviles juegan un papel importante en nuestras vidas, y esto sólo puede ir a más debido a su enorme importancia y al uso de los modernos teléfonos inteligentes (del inglés, smartphones), tabletas y toda clase de dispositivos inalámbricos. Con todo esto en mente, el espectro electromagnético para comunicaciones inalámbricas y móviles se está saturando cada día más, lo que conlleva un constante aumento de los requisitos para los filtros de radio-frecuencia usados en las cabeceras de dichos sistemas. Este progreso ha llevado a un creciente interés en desarrollar componentes de microondas de bajo coste, alto rendimiento, pequeño tamaño, que permitan implementar soluciones altamente integradas para sistemas de alta frecuencia (i.e. microondas y ondas milimétrica) y sus aplicaciones, incluyendo entre ellas la emergente conexión 5G y las futuras plataformas inalámbricas. En este contexto, los resonadores de elevado factor de calidad constituyen generalmente los bloques básicos para el diseño de muchos circuitos pasivos (entre ellos filtros) y activos de alto rendimiento. Su diseño se ha convertido por tanto en un reto aún mayor en la última década. Como resultado de ello, la tecnología de guía de ondas integradas en substrato (Substrate Integrated Waveguide, SIW) ha atraído la atención de la comunidad científica e industrial, al revelarse como una buena aproximación para el desarrollo de dispositivos planares de microondas con excelentes prestaciones eléctricas, y en particular para la implementación de filtros de microondas y onda milimétrica de bajas pérdidas y elevada integración con circuitos en tecnología planar. Además, su flexibilidad se caracteriza también por su adecuación a diferentes procesos de fabricación y producción en masa, en tecnologías tales como los circuitos impresos (Printed Circuit Board, PCB) o la tecnología de materiales cerámicos multi-capa co-sinterizados a baja temperatura (Low Temperature Co-fired Ceramics, LTCC) entre otras. Su enorme similitud con las ya largamente estudiadas guías de onda es, probablemente, una de las principales razones por las cuales el desarrollo de dicho circuitos está creciendo rápidamente entre la comunidad de investigadores. Cabe mencionar como, además de las anteriores ventajas, otras características de la tecnología SIW que podrían ser de gran interés en una amplia gama de aplicaciones inalámbricas y móviles son la miniaturización, la posibilidad de implementar respuestas avanzadas de filtrado y, recientemente, las capacidades de sintonía en frecuencia de los componentes de microondas. De este modo, el trabajo desarrollado a lo largo de esta Tesis Doctoral se ha orientado hacia el planteamiento, análisis y desarrollo de una topología de resonador innovadora y original. Dicha topología se basa en una extensión de las cavidades coaxiales en guía de onda metálica a una implementación integrada en substrato inspirada en la tecnología SIW. Esta Tesis Doctoral recapitula los últimos avances que se han producido sobre este tema, empezando desde la descripción de los principios fundamentales de funcionamiento de las estructuras, hasta la demostración de varias aplicaciones concretas útiles para el diseño de filtros de microondas muy compactos, con respuestas filtrantes avanzadas y reconfigurables. Los resultados que se van a mostrar a continuación son prometedores, y demuestran la validez de la topología propuesta. El conocimiento general obtenido de los diferentes prototipos fabricados y caracterizados experimentalmente puede considerarse una buena base para seguir desarrollando esta tecnología, lo que puede ayudar a mejorar su rendimiento electromagnético, así como a contribuir a un uso más extendido de estos dispositivos en el mercado. / Les comunicacions sense fils i mòbils juguen un paper important en les nostres vides, i això només pot anar a més a causa de la gran importància i l'ús dels moderns telèfons intel·ligents (de l'anglès, smartphones), tablets i tota classe de dispositius sense fil. Tenint en compte tot açò, l'espectre electromagnètic per a comunicacions sense fils i mòbils s'està saturant cada dia més, el que comporta un constant augment dels requisits per als filtres de radiofreqüència usats en les capçaleres d'aquests sistemes. Aquest progrés ha portat a un creixent interès en desenvolupar components de microones de baix cost, alt rendiment, volum reduït, que permeten implementar solucions altament integrades per a sistemes d'alta freqüència (ie. microones i ones mil·limètriques) i les seves aplicacions, incloent l'emergent connexió 5G i les futures plataformes sense fils. En aquest context, els ressonadors d'elevat factor de qualitat constitueixen generalment els blocs bàsics per al disseny de molts circuits passius (entre ells filtres) i actius d'alt rendiment. El seu disseny s'ha convertit per tant en un repte encara més gran en l'última dècada. Com a resultat d'això, la tecnologia de guia d'ones integrades en substrat (Substrate Integrated Waveguide, SIW) ha atret l'atenció de la comunitat científica i industrial, al revelar-se com una bona aproximació per al desenvolupament de dispositius planars de microones amb excel·lents prestacions elèctriques , i en particular per a la implementació de filtres de microones i ones mil·limètriques de baixes pèrdues i elevada integració amb circuits en tecnologia planar. A més, la seua flexibilitat es caracteritza també per la seua adequació a diferents processos de fabricació i producció en massa, en tecnologies com ara els circuits impresos (Printed Circuit Board, PCB) o la tecnologia de materials ceràmics multicapa co-sinteritzats a baixa temperatura (Low Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC) entre d'altres. La seua enorme similitud amb les ja llargament estudiades guies d'ona és, probablement, una de les principals raons per les quals el desenvolupament d'aquests circuits està creixent ràpidament entre la comunitat d'investigadors. Cal destacar com, a més de les anteriors avantatges, altres característiques de la tecnologia SIW que podrien ser de gran interès en una àmplia gamma d'aplicacions sense fils i mòbils són la miniaturització, la possibilitat d'implementar respostes avançades de filtrat i, recentment, les capacitats de sintonia en freqüència dels components de microones. Aquestes característiques clau s'han introduït recentment en el disseny de filtres microones per als sistemes sense fils de pròxima generació, convertint-se en objecte prioritari d'estudi per part de la comunitat científica. D'aquesta manera, el treball desenvolupat al llarg d'aquesta tesi doctoral s'ha orientat cap al plantejament, anàlisi i desenvolupament d'una topologia de ressonador innovadora i original. Aquesta topologia es basa en una extensió de les cavitats coaxials en guia d'ona metàl·lica a una implementació integrada a substrat inspirada en la tecnologia SIW. Aquesta tesi doctoral recapitula els últims avanços que s'han produït sobre aquest tema, començant des de la descripció dels principis fonamentals de funcionament de les estructures, fins a la demostració de diverses aplicacions concretes útils per al disseny de filtres i microones molt compactes, amb respostes de filtrat avançades i reconfigurables. Els resultats que es mostraran a continuació són prometedors, i demostren la validesa de la topologia proposada. El coneixement general obtingut dels diferents prototips fabricats i caracteritzats experimentalment es pot considerar com una bona base per seguir desenvolupant aquesta tecnologia, el que pot ajudar a millorar el seu rendiment electromagnètic, així com a contribuir a un ús més estès d'aquests dispositius en el mer / Sirci, S. (2017). Substrate Integrated Coaxial Filters with Fixed and Tunable Responses [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78838 / TESIS

La faible exploitation de l'irradiation inter-rangée limite la production des modules photovoltaïques (PV). Le projet "Aleph" explore l'intérêt d'ajouter des réflecteurs plans entre les rangées pour augmenter la production, et dégage des règles claires permettant l'optimisation géométrique de l'ensemble. Ce travail présente une modélisation multiphysique du système, des simulations numériques de son comportement, et la comparaison avec des données expérimentales. Deux technologies de module PV sont considérées : silicium amorphe (a-Si) et silicium polycristallin (p-Si). Les mesures montrent des gains énergétiques importants grâce aux réflecteurs. Les gains sont plus importants pour les modules a-Si que p-Si. La modélisation associe un modèle optique de lancers de rayons par méthode Monté-Carlo sous EDStaR, un modèle photoélectrique sous SPICE, et un modèle thermique empirique. Le modèle complet est calibré avec des données expérimentales en utilisant un algorithme évolutif. Une fois calibré, le modèle démontre une bonne performance en simulant la puissance générée par les modules en fonction des données atmosphériques et radiatives. / The poor utilisation of the inter-row irradiation limits the production of photovoltaic (PV) modules. The "Aleph" project explores the potential of adding inter-row planar reflectors to increase the system yield, and defines clear rules for optimal settings of such systems in a given location and under a given climate. This work presents a multiphysics model of the system, numerical simulations of its behaviour, and the comparison with experimental data. Two PV module technologies are tested: amorphous silicon (a-Si) and polycrystalline silicon (p-Si). The experimental data show significant gains in produced energy brought by the reflectors. The gains are higher for a-Si modules compared to p-Si. The modelling work combines a Monte-Carlo ray-tracing optical model (EDStaR), a photo-electric model (SPICE), and an empirical thermal model. The complete model is calibrated with measurements using an evolutionary algorithm. Once calibrated, the model demonstrates good performance in predicting the module power output as a function of atmospheric and irradiance data.

Metoda koneÄnch prvk implementovan v programu COMSOL Multiphysics je vyu­vna k analze tzv. free-standing kmitoÄtovÄ selektivn­ch povrch ve 3D. Tyto modely jsou nslednÄ doplnÄny o periodick© okrajov© podm­nky. Dle jsou free-standing povrchy doplnÄny o vrstvy dielektrika a je zkoumn jejich vliv na modul Äinitele odrazu. V analytick© Ästi jsou vyhodnoceny vlivy poÄtu element diskretizaÄn­ m­ky na pesnost vsledku a d©lku vpoÄt. Vsledky jsou srovnvny vzhledem k vsledkm uvedenm v literatue [5]. V zvÄreÄn© Ästi prce je vysvÄtlen postup pi generovn­ m-file pro obd©ln­kov element a pouit­ globln­ho optimalizaÄn­ho algoritmu PSO, kter automaticky upravuje rozmÄry vodiv©ho motivu tak, aby bylo dosaeno prbÄhu modulu Äinitele odrazu podle poadovan©ho prbÄhu.

The thesis deals with frequency domain finite elements and time domain finite elements. Derivation of the wave equation, generation of the discretization mesh and the composition of matrices for solving wave equation are presented. Exploitation of COMSOL Multiphysics for the analysis of the electromagnetic wave propagation in a wave guide is explained. Finally, in this thesis is described the m-file of MATLAB for analyzing electric field intensity of the waveguide in longitudinal direction to both domain. In last part is concisely exposed perfect match layers.

The main objective of this study is to learn about the theory of electromagnetic field and to create a model of propagation of ultra short waves in a biological tissue. Next point of this paper is to determine a specific absorption rate (SAR) using a valid sanitary standard. A particular model solution was realized in a model environment of the program Comsol Multiphysics 3.5. A human head and a cellular phone with an intern antenna were successfully created in this model environment. First of all were entered appropriate parameters which led to a successful representation of the distribution of electric field intensity. A value of specific absorption rate taken by a biological tissue was determined in the next step. This value was compared to the value listed in a valid sanitary standard to prevent its overrun. A development of a temperature in a biological tissue was determined as well, according to a six minutes long interval stated in a valid sanitary standard.

Work is focused on computer modeling of PN junction and MOSFET transistor in the program COMSOL Multiphysics and in program TiberCAD. The text is discussed on the drift and diffusion in semiconductors. Also shown is a method of modeling the PN junction and MOSFET transistor in the programs and compare models.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude du pré-dimensionnement d’un actionneur électromécanique à entrainement direct dans une chaine de commande de vol électrique d’un hélicoptère.Le dimensionnement de cet actionneur répond à un brevet déposé par Airbus Helicopters et les éléments composant l’actionneur devront remplir les critères de sécurité des équipements embarqués des fonctions critiques. Dans un premier temps, une méthode de pré-dimensionnement d’actionneur électromécanique et plus particulièrement de machine électrique est décrite à l’aide d’un modèle analytique. Ce modèle est couplé à un algorithme d’optimisation afin de minimiser la masse tout en conservant les performances. Un prototype a fait l’objet d’une fabrication à l’échelle 1. Dans un second temps, une architecture et une méthode de calcul de l’asservissement sont définies afin d’obtenir les performances attendues par un cahier des charges en termes de précision, vitesse et stabilité. Dans le but d’améliorer le processus de dimensionnement et de prévoir le comportement dynamique de l’asservissement, des modèles multi-physiques sont développés et utilisés. Enfin, le prototype est mis en place sur un banc d’essai. Il a permis de valider le modèle de pré-dimensionnement et plus généralement de caractériser les machines électriques. Enfin, une campagne d’essai avec des cas de panne est réalisée pour mesurer et analyser les effets des pannes sur cet actionneur. / The thesis aim is the pre-design of a direct drive electromechanical actuator for Fly-By-Wire flight control of rotorcraft.The pre-design of this actuator answer to a Airbus Helicopters patent and all component must be compliant with the safety criteria of embedded system for critical function. Over a first phase, a method of electromechanical actuator’s pre-design and particularly of electrical machine is described with an analytical model. This model is linked with an optimization algorithm in order to minimize the actuator’s mass with the whole performances. A full scale prototype has been built.Over a second phase, architecture and methods for designing control are described in order to obtain the specification performances in term of precision, speed and stability. To improve the design process and the dynamic prediction of the control, multiphysics models have been developed and used.At last, the prototype is integrated on a test bench. This one allow to validate the electrical machines pre-design and more generally, to characterize the built electrical motors. A series of failure case’s tests takes place in order to analyze and measure all the actuator effect of the failure case.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozedur zur Ordnungsreduktion von Finite Elemente Modellen mikromechanischer Struktur mit elektrostatischem Wirkprinzip entwickelt und analysiert. Hintergrund der Ordnungsreduktion ist eine Koordinatentransformation von lokalen Finite Elemente Koordinaten in globale Koordinaten. Die globalen Koordinaten des reduzierten Modells werden durch einige wenige Formfunktionen beschrieben. Damit wird das Makromodell nicht mehr durch lokale Knotenverschiebungen beschrieben, sondern durch globale Formfunktionen, welche die gesamte Deformation der Struktur beeinflussen. Es wird gezeigt, dass Eigenvektoren der linearisierten mechanischen Struktur einfache und effiziente Formfunktionen darstellen. Weiterhin kann diese Methode für bestimmte Nichtlinearitäten und für verschiedene in Mikrosystemen auftretende Lasten angewendet werden. Das Ergebnis sind Makromodelle, die über Klemmen in Systemsimulatoren eingebunden werden können, die Genauigkeiten einer Finite Elemente Analyse erreichen und für Systemsimulationen typische Laufzeitverhalten besitzen.

Non-negligible coupled thermal and mechanical effects occur in several physical and industrial procedures, e.g. warm for ming processes. The authors present the theoretical background of a phenomenological thermoelastoplastic material model at large strains as well as its numerical realization within the context of appropriate finite element formulations. As usual, the presented thermodynamical consistent constitutive approach is based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient, and a corresponding additive decomposition of the free Helmholtz energy density. For the numerical treatment of thermoelastoplastic problems within a finite element approach, weak formulations of the balance equation of momentum and the heat conduction equation in material description are developed. For the solution of non-linear boundary value problems the linearization of the weak formulations is presented. Within the context of the mechanical problem the temperature dependence of material parameters as well as the thermal expansion are considered. The temperature evolution will be affected by non-thermal phenomena like the thermoelastic effect and plastic dissipation. Several numerical procedures for the solution of the coupled thermomechanical problem are discussed.