Ce travail de thèse traite de la caractérisation par Spectroscopie d'Impédance de l'impédance d'une pile à combustible en charge et plus particulièrement de l'évaluation de l'influence de l'humidité sur les performances de la pile. Après un état de l'art sur les différentes méthodes de caractérisation de l'impédance d'une pile et les différentes méthodes de mesure de l'humidité, la problématique est posée. Nous modélisons la pile Nexa de 47 cellules de type PEMFC, en intégrant des mesures expérimentales au niveau du modèle. Le modèle dynamique décrit en VHDL-AMS est un modèle au niveau macroscopique prenant en compte le côté électrique des différentes cellules constituant la pile. Ce modèle prend en compte la caractéristique des deux dernières cellules qui présentent un phénomène d'inondation remarqué lors des mesures expérimentales. Le système de purge de la Nexa est également pris en compte dans le code. L'étude expérimentale passe par la mise en place d'un banc de mesure pour la caractérisation de l'impédance de la pile Nexa par Spectroscopie d'Impédance, ainsi que la mesure de l'humidité en sortie de la pile. Les mesures d'impédances complexes corrélées à celles de l'humidité nous ont amenées à déterminer l'influence de l'humidité sur les performances de la pile. La concordance entre les résultats du modèle et ceux du banc de mesure, tant en DC que en AC, sont concluants. L'erreur constatée à l'issue de la comparaison entre les résultats théoriques et expérimentaux est inférieure à 1.5%. / This thesis deals with the characterization of the impedance of an on load fuel cell by Electrochemical Impedance Spectroscopy method and particularly the assessment of the humidity influence on the fuel cell performances. After a state of the art on different methods to characterize the impedance of a fuel cell and different methods of measuring humidity, the problem is posed. We model the PEM Nexa stack which consists of 47 cells, integrating experimental measurements. The dynamic model described in VHDL-AMS is a model at the macroscopic level, taking into account the electrical side of individual cells constituting the fuel cell. This model takes into account the characteristics of the last two cells exhibiting the phenomenon of flooding seen in experimental measurements. The purge system of the Nexa is also reflected in the code. The experimental study involves the establishment of a Testbench for characterizing the impedance of the Nexa fuel cell by Impedance spectroscopy method, and measuring the humidity at the output of the stack. The complex impedance measurements correlated with those of humidity led us to determine the influence of humidity on the performance of the fuel cell. The correlation between the model results and those of the Testbench, both in DC than in AC, are conclusive. The error in between theoretical and experimental results is less than 1.5%.

A novel integrated modeling methodology for NEMS is presented. Nano scale device models include typical effects found, at this scale, in various domains. The methodology facilitates the insertion of quantum corrections to nanoscale device models when they are simulated within multi-domain environments, as is performed in the MEMS industry. This methodology includes domain-oriented approximations from ab-initio modeling. In addition, the methodology includes the selection of quantum mechanical compact models that can be integrated with basic electronic circuits or non-electronic lumped element models. Nanoelectronic device modeling integration in mixed signal systems is reported. The modeling results are compatible with standard hardware description language entities and building blocks. This methodology is based on the IEEE VHDL-AMS, which is an industry standard modeling and simulation hardware description language. The methodology must be object oriented in order to be shared with current and future nanotechnology modeling resources, which are available worldwide. In order to integrate them inside a Learning Management System (LMS), models were formulated and adapted for educational purposes. The electronic nanodevice models were translated to a standardized format for learning objects by following the Shareable Content Object Reference Model (SCORM). The SCORM format not only allows models reusability inside the framework of the LMS, but their applicability to various educational levels as well. The model of a molecular transistor was properly defined, integrated and translated using SCORM rules and reused for educational purposes at various levels. A very popular LMS platform was used to support these tasks. The LMS platform compatibility skills were applied to test the applicability and reusability of the generated learning objects. Model usability was successfully tested and measured within an undergraduate nanotechnology course in an electrical engineering program. The model was reused at the graduate level and adapted afterwards to a nanotechnology education program for school teachers. Following known Learning Management Systems, the developed methodology was successfully formulated and adapted for education.

Les systèmes industriels sont de plus en plus miniaturisés et intégrés. Ils font cohabiter sur le même substrat différentes disciplines techniques (électronique analogique et numérique, optique, mécanique, thermique, différents capteurs ...). Le cycle de conception traditionnel en V ne répond plus aux exigences industrielles et beaucoup de problèmes restent à identifier et à résoudre pour avancer dans ce domaine. Les phénomènes perturbateurs prennent de plus en plus d'importance à mesure que la taille des systèmes diminue. Leur conception doit en tenir compte dés le début de la démarche.<br /> L'évolution industrielle dans ce domaine passe par la fourniture de procédures réalistes et productives pour améliorer le cycle de conception. Le Prototypage Virtuel constitue une voie intéressante pour cela en offrant la possibilité de réduire les temps et les coûts de développement par la formalisation, la capitalisation et la réutilisation de modèles informatiques directement simulables, ainsi que par l'application d'une méthodologie rigoureuse quant à leur conception. Parmi les langages de description matériels utilisables, VHDL-AMS semble un des plus adaptés. En effet, il permet de modéliser les systèmes multidisciplinaires de manière native et offre des possibilités de modélisation à haut niveau d'abstraction. De plus, ce langage se déploie de plus en plus au sein des industries, ce qui génère un nouveau public d'utilisateurs, n'ayant pas de connaissances des HDLs, pour lesquels la nouvelle génération de simulateurs graphiques s'avèrent très utiles.<br /> Cette thèse présente tout d'abord le travail effectué dans le cadre du RMNT sur la modélisation d'un dispositif optoélectronique à haut débit, courte portée et à fortes interactions thermiques et mécaniques de la société THALES. Cette étude a ensuite permis de dégager des éléments de méthodologie qui pourraient rendre la conception de modèles et la simulation de systèmes complexes plus en phase avec un marché toujours plus exigeant.

Avionics Division of Saab AB develops advanced electronics that need to be robust and work in harsh environments with for example extreme temperatures and cosmic radiation without any failure. To succeed with this the electronics need to be simulated and tested. Therefore this thesis work is done to strengthen the Avionics Division’s knowledge of hardware modelling and simulation by evaluating the simulation tools LTSpice, PSpice and SystemVision, their functions and capabilities. In this thesis a survey is carried out with help of a questionnaire to study the Avionics Division’s needs for simulation. The survey is underlying an analysis of the analyses that can be performed by the simulation tools for example Sensitivity analysis, Worst Case analysis, Monte Carlo analysis and Parametric Sweep analysis. The different analyses are discussed in the thesis. The questionnaire is also underlying an analysis of the tools LTSpice, PSpice and SystemVision. The result of the analysis is summarized in Table 1. A case study of a circuit simulation in SystemVision, based on an existing circuit used by Avionics Division, is also done within this thesis work. The study is done to evaluate the tool’s usability, to see if it is easy to perform a simulation and if it is easy to find and use suitable models from the model library. The case study describes how a simulation is performed in SystemVision and how an AC analysis of a Butterworth filter is done. A stability and reliability check of the tool is performed as well as a robustness simulation. The analyses were easy to do and the overall impression is that SystemVision is reliable and user friendly structured. In order to check and compare the results of the AC analysis the same analysis is performed using LTSpice. The comparison shows that the results differ. This depending on that the models of the circuit were some what different in LTSpice and SystemVision. The final conclusion is that SystemVision would fit within Avionics Division’s workflow. Using SystemVision demands education of the engineers to secure maximum use of all the advantages of SystemVision.

Die Simulation heterogener Systeme auf hoher Abstraktionsebene gewinnt auf Grund der zunehmenden Komplexität technischer Systeme stetig an Bedeutung. Unter heterogenen Systemen versteht man technische Systeme, die aus analoger und digitaler Elektronik, aus Komponenten verschiedener physikalischer Domänen wie mechanischen Strukturen, thermischen und optischen Komponenten sowie aus Software bestehen können. Genügte es bisher, die einzelnen Komponenten für sich in ihrer eigenen Domäne mit einem speziellen Simulator zu simulieren, so ist es heute unerläßlich, auch die Interaktionen zwischen den Komponenten zu erfassen. Um solche Systeme mit einer einheitlichen Beschreibungsform erfassen zu können, entstand aus der digitalen Hardwarebeschreibungssprache VHDL die Systembeschreibungssprache VHDL-AMS. Bei der Modellierung eines Systems muß das tatsächliche Verhalten der Komponenten abstrahiert werden, um mathematisch erfaßbar und in begrenzter Zeit simulierbar zu sein. Der Grad der Abstraktion beeinflußt jedoch die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wesentlich. Dabei muß bzw. kann das Verhalten in unterschiedlichen Komponenten unterschiedlich stark abstrahiert werden, um noch akzeptable Simulationsgenauigkeiten erzielen zu können. VHDL-AMS erlaubt die Beschreibung von Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus. Man kann die unterschiedlich abstrakten Modelle der Komponenten aber nur schwer in einer Systemsimulation gemeinsam simulieren, da unterschiedlich abstrakte Modelle auch unterschiedlich abstrakte Schnittstellen aufweisen, so daß die Modelle nur mühsam miteinander verbunden werden können. Ein Austausch eines abstrakten Modells einer Komponente gegen ein weniger abstraktes Modell oder umgekehrt ist mit vielen fehleranfälligen und zeitaufwendigen Anpassungsschritten verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der es auf der Basis einer Vereinheitlichung der Modellschnittstellen ermöglicht, unterschiedlich abstrakte Modelle gemeinsam zu simulieren und einzelne Modelle gegen abstraktere oder weniger abstrakte Modelle ohne nennenswerten Zeit- und Modellierungsaufwand auszutauschen. Es werden die zu verwendenden Interfaceobjekte und Datentypen für digitale, analoge elektrische und nichtelektrische Schnittstellen unter VHDL-AMS und SystemC-AMS vorgestellt. Ebenso werden Methoden vorgestellt, die digitales, ereignisdiskretes Verhalten auf konservative elektrische Schnittstellen bzw. nichtkonservatives analoges Verhalten auf digitale Schnittstellen abbilden. Weiterhin wird erläutert, wie sich digitale Protokolle über Abstraktionsebenen hinweg übertragen lassen und ein modifizierter Top-Down Design-Flow vorgestellt. Die Demonstration der Anwendbarkeit der Methode erfolgt anhand eines Beispiels.

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2008.

Afin d'accélérer ce processus de conception des systèmes embarqués, un environnement de simulation rapide et performant peut s’avérer indispensable. Pour la rendre performante, les modèles comportementaux des composants élémentaires du système doivent être capables de remplacer les éléments réels dans leurs influences et réponses à tous les phénomènes influents: perturbations, affaiblissements, retards...Nos travaux de thèse visent à contribuer à cette approche méthodologique : ils traitent le développement d’un émulateur des RCSFs. Pour ce faire deux types de simulateurs ont été étudiés:• le premier est un simulateur « software » basé sur la création de modèles comportementaux, décrits en langage VHDL-AMS.• le deuxième est un simulateur hardware basé sur la création des modèles logiques comportementaux, décrits en langage VHDL synthétisable. La simulation s’effectuera sur un composant FPGA cible. Des modifications peuvent être faites sur l’architecture de manière dynamique / To accelerate the design process of embedded systems, a fast and efficient simulation environment is needed. To make it efficient, the behavioral models of the elementary components of the system must be able to replace the real elements in their influences and responses to all the influential phenomena: disruptions, attenuation, delays...Our thesis work aims to contribute to this methodological approach: we treat the development of an emulator for WSNs. To do, two types of simulators have been studied:• The first is a software simulator based on the creation of behavioral models, described in VHDL-AMS.• The second is a hardware simulator based on the creation of behavioral logic models, described in synthesizable VHDL. The simulation will be done on an FPGA target. Changes may be made on the architecture dynamically

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