Cette thèse porte sur l’évaluation de plusieurs stratégies de gestion d’énergie pour un nouveau concept de moteur hybride pneumatique. Ce concept combine un moteur à combustion interne avec un système de stockage d’énergie sous forme d’air comprimée. Une soupape supplémentaire relie alors la chambre de combustion à un réservoir d’air et permet un fonctionnement en mode moteur pneumatique ou pompe pneumatique (récupératif). La première stratégie, Causale, est basée sur des principes heuristiques. La deuxième, à Coefficient de Pénalité Constant, vise la minimisation d’un critère énergétique global. Un coefficient de pondération permet de mettre en opposition, pour un travail donné, les coûts énergétiques d’un mode pneumatique d’une part et d’un mode thermique d’autre part. Le mode offrant le coût le plus faible sera choisi. La troisième stratégie, à Coefficient de Pénalité Variable, sur le même principe utilise un coefficient de pondération variable selon la quantité d’énergie pneumatique disponible. Une stratégie, à reconnaissance de situation de conduite, permet d’adapter les stratégies à la situation reconnue (par exemple, embouteillage, autoroutier). Enfin, la dernière stratégie tente de recopier la solution optimale de référence (obtenue par programmation dynamique) à l’aide d’un modèle. Toutes les stratégies ont été validées en simulation sur cycles standards. De plus une méthode, basée sur les chaînes de Markov, de constructions de cycle de conduite « artificiels » mais réalistes est proposée. Les consommations obtenues avec les différentes stratégies proposées sont comparées en référence aux consommations minimales atteignables. Les résultats montrent que 40% de gain de consommation peuvent être atteints. / This thesis presents a study of several energy management strategies for a novel hybrid pneumatic engine concept. The concept combines an internal combustion engine with a system of compressed air for energy storage. An additional charge valve connects the combustion chamber to an air pressure tank, enabling the engine to function in pneumatic motor mode or as a pneumatic pump (recuperation mode). The first strategy is called Causal and implements a rule-based control technique. The second one, called Constant Penalty Coefficient, is derived from optimal control theory and is based on an equivalent consumption minimization strategy. A penalty coefficient is introduced to evaluate, for a given torque demand, the respective energy costs of the two modes, pneumatic and conventional, enabling the mode offering the lowest cost to be chosen. The third strategy, called Variable Penalty Coefficient, is based on the same principle but uses a variable penalty coefficient depending on the amount of pneumatic energy available in the compressed air tank. Another strategy investigated, called Driving Pattern Recognition, adapts the strategies to the driving situation recognized (for example, traffic jam, or highway). The last strategy studied attempts to reproduce the optimal reference solution obtained by dynamic programming, using a neural mode. All the strategies have been validated by simulation on standard driving cycles. In addition, a method based on the Markov chain process have been develop to make ‘artificial’ yet realistic driving cycles. The consumptions obtained with the various strategies are compared with the minimal consumptions achievable. Results demonstrate that 40% of fuel saving can be achieved on certain cycles. Several of the strategies proposed give results that are close to optimal.

Le développement des réseaux de capteurs sans fil (WSN) profite des progrès récents en consommation énergétique dans les systèmes électroniques et des progrès en technologies de récupération d'énergie pour construire des entités de contrôle intelligentes utilisées dans des domaines variés comme la santé ou l'agriculture. Grâce aux consommations toujours plus faibles des circuits de communication radiofréquence, il est possible de créer des réseaux de systèmes de capteurs capables d'extraire des données de l'environnement et de les transmettre à une entité maîtresse. Les durées de vie limitées des batteries sont un frein au développement de tels réseaux pour des raisons de coût et de difficulté de maintenance. Grâce à la récupération d'énergie dans l'environnement, qu'elle soit solaire, thermique ou mécanique, il est alors envisageable d'alimenter un système de capteurs et sa communication sans fil afin d'accroitre l'autonomie globale du réseau. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à étudier la gestion d'énergie au sein d'un nœud de capteurs communicant sans fil. Grâce à l'utilisation d'une architecture d'alimentation avancée à chemins de puissance multiples, basée notamment sur un chemin direct à haut rendement entre les récupérateurs d'énergie et les charges consommantes, le système peut optimiser son rendement énergétique lorsque l'énergie est récupérée dans l'environnement. Cette architecture d'alimentation requiert néanmoins un contrôle numérique fin afin de déterminer à tout moment le chemin de puissance optimal entre les récupérateurs, les capacités et batterie de stockage, et les charges consommantes. Un contrôleur intégré asynchrone réalise une gestion événementielle de ces chemins de puissance et permet au système d'être robuste face aux variations énergétiques environnementales. Après une modélisation et une analyse des gains de l'architecture avancée de gestion de puissance, un contrôleur événementiel adapté aux systèmes de capteurs communicants est proposé. Ce contrôleur est implémenté en logique asynchrone quasi insensible aux délais (QDI) et offre au système une robustesse intrinsèque forte aux variations environnementales en addition à sa très faible consommation. Un circuit de gestion d'alimentation pour nœud de capteurs communicant est ainsi fabriqué en technologie CMOS 180nm et intègre des innovations tant architecturales que de gestion numérique applicative. Sa consommation globale proche d'1µW permet ainsi la réalisation de systèmes de capteurs fonctionnels pour des applications mettant en jeu des puissances de l'ordre du microwatt, autorisant en conséquence la mise en place de réseaux de capteurs ultra faible consommation. / Wireless Sensor Networks (WSN) development leverages recent progress in electronic devices power consumption and in energy harvesting technologies in order to create smart sensing structures useful for improvements in various topics such as health monitoring or farming. Thanks to wireless communication circuits lower power consumption, it becomes possible to create networks of sensing systems capable of extracting information from the environment and of transmitting data through the network to the global intelligence. Because of hard and costly maintenance requirements, limited lifespans batteries are a brake on such networks development. Thanks to environmental energy harvesting on solar, thermal or mechanical sources, a system containing sensors and a wireless communication circuit can be powered. Global energy autonomy is thus improved and the node's life is enhanced. Works done during this PhD aim to study energy management within a sensing wireless communicating node. Thanks to the use of advanced multiple power paths architecture leveraging direct power path between the sources and the power loads, the power management system can optimize its energy efficiency when energy is harvested in the environment. Nevertheless, a precise digital control is mandatory to continuously determine the best power path between the energy harvesters, the energy storing capacitors and batteries, and the power loads. An integrated asynchronous controller implements an event-driven management of the power paths and gives the system robustness to environmental energy variations. After modeling and analyzing the power efficiency gain granted by the advanced architecture, an event-driven controller is proposed to ease implementation of wireless sensing applications. The controller is implemented in asynchronous quasi delay insensitive (QDI) logic and presents high intrinsic robustness to environemental variations while maintaining ultra low power consumption. A power management circuit suited for wireless sensing systems is thus fabricated using 180nm CMOS process and includes both architecture and digital management innovations. Its global power consumption close to 1µW allows considering the creation of wireless sensing nodes running for applications in the range of microwatts, consequently enabling development of ultra low power wireless sensor networks.

De façon à réduire l'impact du réchauffement climatique, la Commission Européenne a décidé dans le prolongement du protocole de Kyoto de réduire drastiquement les émissions de gaz à effet de serre. En la matière, le remplacement progressif des véhicules thermiques par des véhicules électriques est considéré comme un objectif clé. Dans ce but, plusieurs prérequis doivent être pris en compte pour le déploiement rapide des véhicules électriques sur le marché européen. Le premier de ces prérequis consiste en la conception d'une nouvelle génération de batteries avec une efficacité énergétique accrue, une plus grande capacité et une robustesse améliorée. Le second prérequis est la conception et le déploiement rapide et économique d'infrastructures de recharge. Enfin, l'émergence de normes européennes dans tous ces domaines est une impérieuse nécessité pour la viabilité économique du marché européen des véhicules électriques. Cette thèse se focalise essentiellement sur le second de ces trois prérequis. Il est largement admis qu'à court terme, l'usage des véhicules électriques sera essentiellement limité aux zones urbaines avant d'être étendu à tout le territoire. Tel que cela est pris en compte par le projet de recherche national TELEWATT dans lequel nous avons été impliqués, les réseaux d'éclairage publics en zones urbaines peuvent être utilisés judicieusement pour déployer à court terme des infrastructures de recharge bon marché. Le principe de base de ce projet consiste à connecter à chaque candélabre une ou deux stations de recharge pour véhicule électrique si une ou deux places de parking sont disponibles dans l'environnement proche. Diverses contraintes électriques spécifiées dans le projet TELEWATT doivent être satisfaites pour permettre la recharge de véhicules électriques sans perturber la qualité de l’éclairage. Dans cette thèse, nous commençons par démontrer la faisabilité d’une telle opération. Pour cela, nous avons développé un simulateur permettant de décrire le comportement dynamique du système global. La force et l’originalité de ce simulateur réside dans sa capacité à déterminer en temps-réel et avec laprécision nécessaire si un véhicule électrique peut effectivement être connecté à une borne. La réponse à cette question dépend des caractéristiques statiques et dynamiques du réseau d’éclairage et de l’état de charge des véhicules déjà connectés comme des véhicules candidats. La dynamique du processus de recharge de chaque véhicule électrique dépend fortement de la puissance instantanée consommée par l’infrastructure globale. Le second objectif original de cette thèse consiste en la conception de politiques d’ordonnancement d’activation des diverses bornes de recharge. Notre objectif est de proposer, via ces politiquesd’ordonnancement, divers types de qualité de service (QoS) garanties aux usagers. De telles garanties peuvent par exemple se décliner en termes d’état de charge attendu pour une certaine durée de stationnement. / In order to reduce the impact of global warming, the European Commission has decided in the continuation of the Kyoto protocol to reduce drastically greenhouse gas emissions. In this matter, the progressive replacement of thermal vehicles by electric ones is considered as a key objective. For that purpose, several prerequisites must be considered for the rapid deployment of Electrical Vehicles (EV) in the European market. The first of these prerequisites consists in the design of a new generation of batteries with higher energy efficiency, larger capacity and improved robustness. The second one is the design and rapid deployment of cost effective charging infrastructures. At last, the emergence of European standards in all these matters is an imperious necessity for the viability of the EVs European market. This thesis is mainly focused on the second of these three prerequisites. It is widely admitted that in the short term, EVs usage will be essentially limited to urban areas before being extended to the whole territory. As it is considered by the French National TELEWATT research project to which we have contributed, street lighting networks can be used judiciously to deploy in the short term low cost charging infrastructures. The basic principle of this project consists in coupling to each street light one or two EV's charging stations if one or two parking spots are located nearby. Various electrical constraints specified in the TELEWATT project must be satisfied to enable EVs' charging without degrading the quality of the lighting system. In this thesis, we begin to demonstrate the feasibility of such an operation. For that purpose, we have developed a simulator enablingto depict the dynamic behavior of the global system. The strength and originality of this simulator resides in its capacity to determine in real-time and with the necessary precision if an EV can effectively be connected to a charging station. The response to this question depends on static and dynamic characteristics of the street lighting network and on the state of charge of the batteries of both the connected and candidate EVs. The dynamism of the charging process of each EV strongly depends on the instantaneous power consumed by the global infrastructure. The second original result of this thesis consists in the design of scheduling policies to activate the various charging stations. Our objective is to propose via these scheduling policies, various types of guaranteed Quality of Service (QoS) to the end-users. Such guarantees can be declined for instance in terms of expected state of charge for a given parking term

Face à l'explosion du trafic mobile entraînée par le succès des smartphones, les opérateurs de réseaux mobiles (MNOs) densifient leurs réseaux à travers le déploiement massif des stations de base à faible portée (SBS), capable d’offrir des services très haut débit et de remplir les exigences de capacité et de couverture. Cette nouvelle infrastructure, appelée réseau cellulaire hétérogène (HetNet), utilise un mix de stations de base hiérarchisées, comprenant des macro-cellule à forte puissance et des SBS à faible puissance.La prolifération des HetNets soulève une nouvelle préoccupation concernant leur consommation d'énergie et empreinte carbone. Dans ce contexte, l'utilisation de technologies de production d'énergie dans les réseaux mobiles a suscité un intérêt particulier. Les sources d'énergie respectueuses de l'environnement couplées à un système de stockage d'énergie ont le potentiel de réduire les émissions carbone ainsi que le coût opérationnel énergétique des MNOs.L'intégration des énergies renouvelables (panneau solaire) et du stockage d'énergie (batterie) dans un SBS gagne en efficacité grâce aux leviers technologiques et économiques apportés par le smart grid (SG). Cependant, l'architecture résultante, que nous appelons Green Small-Cell Base station (GSBS), est complexe. Premièrement, la multitude de sources d'énergie, le phénomène de viellissement du système et le prix dynamique de l'électricité dans le SG sont des facteurs qui nécessitent planification et gestion pour un fonctionnement plus efficace du GSBS. Deuxièmement, il existe une étroite dépendance entre le dimensionnement et le contrôle en temps réel du système, qui nécessite une approche commune capable de résoudre conjointement ces deux problèmes. Enfin, la gestion holistique d’un HetNet nécessite un schéma de contrôle à grande échelle pour optimiser simultanément les ressources énergétiques locales et la collaboration radio entre les SBSs.Par conséquent, nous avons élaboré un cadre d'optimisation pour le pré-déploiement et le post-déploiement du GSBS, afin de permettre aux MNOs de réduire conjointement leurs dépenses d'électricité et le vieillissement de leurs équipements. L'optimisation pré-déploiement consiste en un dimensionnement du GSBS qui tient compte du vieillissement de la batterie et de la stratégie de gestion des ressources énergétiques. Le problème associé est formulé et le dimensionnement optimal est approché en s'appuyant des profils moyens (production, consommation et prix de l'électricité) à travers une méthode itérative basée sur le solveur non-linéaire “fmincon”. Le schéma de post-déploiement repose sur des capacités d'apprentissage permettant d'ajuster dynamiquement la gestion énergétique du GSBS à son environnement (conditions météorologiques, charge de trafic et coût de l'électricité). La solution s'appuie sur le fuzzy Q-learning qui consiste à combiner le système d'inférence floue avec l'algorithme Q-learning. Ensuite, nous formalisons un système d'équilibrage de charge capable d'étendre la gestion énergétique locale à une collaboration à l'échelle réseau. Nous proposons à ce titre un algorithme en deux étapes, combinant des contrôleurs hiérarchiques au niveau du GSBS et au niveau du réseau. Les deux étapes s'alternent pour continuellement planifier et adapter la gestion de l'énergie à la collaboration radio dans le HetNet.Les résultats de la simulation montrent que, en considérant le vieillissement de la batterie et l'impact mutuel de la conception du système sur la stratégie énergétique (et vice-versa), le dimensionnement optimal du GSBS est capable de maximiser le retour sur investissement. En outre, grâce à ses capacités d'apprentissage, le GSBS peut être déployé de manière plug-and-play, avec la possibilité de s'auto-organiser, d'améliorer le coût énergétique du système et de préserver la durée de vie de la batterie. / Pushed by an unprecedented increase in data traffic, Mobile Network Operators (MNOs) are densifying their networks through the deployment of Small-cell Base Stations (SBS), low-range radio-access transceivers that offer enhanced capacity and improved coverage. This new infrastructure – Heterogeneous cellular Network (HetNet) -- uses a hierarchy of high-power Macro-cell Base Stations overlaid with several low-power (SBSs).The augmenting deployment and operation of the HetNets raise a new crucial concern regarding their energy consumption and carbon footprint. In this context, the use of energy-harvesting technologies in mobile networks have gained particular interest. The environment-friendly power sources coupled with energy storage capabilities have the potential to reduce the carbon emissions as well as the electricity operating expenditures of MNOs.The integration of renewable energy (solar panel) and energy storage capability (battery) in SBSs gain in efficiency thanks to the technological and economic enablers brought by the Smart Grid (SG). However, the obtained architecture, which we call Green Small-Cell Base Station (GSBS), is complex. First, the multitude of power sources, the system aging, and the dynamic electricity price in the (SG) are factors that require design and management to enable the (GSBS) to efficiently operate. Second, there is a close dependence between the system sizing and control, which requires an approach to address these problems simultaneously. Finally, the achievement of a holistic management in a (HetNet) requires a network-level energy-aware scheme that jointly optimizes the local energy resources and radio collaboration between the SBSs.Accordingly, we have elaborated pre-deployment and post-deployment optimization frameworks for GSBSs that allow the MNOs to jointly reduce their electricity expenses and the equipment degradation. The pre-deployment optimization consists in an effective sizing of the GSBS that accounts for the battery aging and the associated management of the energy resources. The problem is formulated and the optimal sizing is approximated using average profiles, through an iterative method based on the non-linear solver “fmincon”. The post-deployment scheme relies on learning capabilities to dynamically adjust the GSBS energy management to its environment (weather conditions, traffic load, and electricity cost). The solution is based on the fuzzy Q-learning that consists in tuning a fuzzy inference system (which represents the energy arbitrage in the system) with the Q-learning algorithm. Then, we formalize an energy-aware load-balancing scheme to extend the local energy management to a network-level collaboration. We propose a two-stage algorithm to solve the formulated problem by combining hierarchical controllers at the GSBS-level and at the network-level. The two stages are alternated to continuously plan and adapt the energy management to the radio collaboration in the HetNet.Simulation results show that, by considering the battery aging and the impact of the system design and the energy strategy on each other, the optimal sizing of the GSBS is able to maximize the return on investment with respect to the technical and economic conditions of the deployment. Also, thanks to its learning capabilities, the GSBSs can be deployed in a plug-and-play fashion, with the ability to self-organize, improve the operating energy cost of the system, and preserves the battery lifespan.

Au milieu des espaces collectifs et publics, les afficheurs cylindriques informent les utilisateurs autour d'eux. Nous questionnons l'utilité et l'utilisabilité de la symétrie dynamique de révolution pour les afficheurs cylindriques à changement de forme. Nous présentons CairnFORM, un prototype d'afficheur cylindrique capable de changer de symétrie de révolution à l'aide d'une pile modulaire d'anneaux extensibles illuminés. Nous montrons que la symétrie de révolution est utilisable pour informer les utilisateurs par physicalisation des données : nous observons avec un CairnFORM à 10 anneaux qu'un histogramme à anneaux physiques est plus efficace pour une tâche d'intervalle et une tâche de comparaison plutôt que pour une tâche d'ordonnancement. Nous montrons que le changement de symétrie de révolution est utilisable pour notifier sans déranger les utilisateurs par interaction périphérique : nous observons avec un CairnFORM à 1 anneau que le changement de diamètre d'un anneau avec une vitesse exponentielle est perçu plus souvent et plus calmement en périphérie de l'attention plutôt qu'avec une vitesse constante ou logarithmique. Nous montrons que les afficheurs cylindriques à symétrie dynamique de révolution offrent une expérience utilisateur sur la durée supérieure aux afficheurs planaires : après deux mois en contexte d'usage sur un lieu de travail, nous observons que CairnFORM est aussi pragmatique mais plus hédonique qu'un écran plat. Nous étudions un cas d'usage pour les afficheurs sur le lieu de travail, c'est-à-dire aider les employés à décaler le chargement de batterie des ordinateurs portables vers les heures de pic de production locale d'énergie renouvelable. / In the middle of public and collective spaces, cylindrical displays inform users around them.We question the utility and the usability of dynamic revolution symmetry for shape-changing cylindrical displays. We present CairnFORM, a prototype of cylindrical display that can change its revolution symmetry using a modular stack of expandable illuminated rings.We show that revolution symmetry is usable for informing users through data physicalization: We observe with a 10-ring CairnFORM that a physical ring chart is more efficient for a range task and for a compare task rather than for an order task. We show that revolution symmetry change is usable for unobtrusively notifying users through peripheral interaction: We observe with a 1-ring CairnFORM that a ring diameter change with exponential speed is perceived more often and calmer in the periphery of attention rather than with a constant speed or a logarithmic speed.We show that cylindrical displays with dynamic revolution symmetry offer a greater user experience over time than planar displays: After two months in context of use in a workplace, we observe that CairnFORM is as pragmatic as a flat screen but more hedonic than a flat screen. We study a use case for displays in the workplace: Helping employees to shift laptop battery charge to peak hours of local renewable energy production.

Les réserves limitées de combustibles fossiles et la pollution entrainée par les gaz produits ouvrent la voie à desressources énergétiques renouvelables (RER) alternatives et prometteuses telles que les ressources solaires (RS)et les ressources éoliennes (RE). Ces ressources sont librement disponibles et respectueuses de l'environnement.Cependant, les RER sont de nature intermittente. Par conséquent, il existe un besoin de lissage des fluctuations depuissance en stockant l'énergie pendant les périodes de surproduction pour la restituer au réseau lorsque lademande énergétique devient importante. Les systèmes de stockage de l'énergie (SSE) peuvent alors être utilisésde manière appropriée à cette fin.L'utilisation de plusieurs sources d'énergie et de stockeurs pour construire des systèmes de puissance hybrides(SPH) exige une stratégie de gestion de l'énergie pour atteindre le minimum de coût des SPH et un équilibre entrela production et la consommation de l'énergie. Cette méthode de gestion de l'énergie est un mécanisme pourobtenir une production d'énergie idéale et pour satisfaire convenablement la demande de charge à rendementrelativement élevé.Dans cette thèse, un SPH intégrant production électrique photovoltaïque, éolienne, une micro-turbine à gaz ainsiqu'un système de stockage de l'électricité par le vecteur hydrogène est considéré. Le but de cette hybridation estde construire un système fiable, qui est en mesure de fournir la charge et qui a la capacité de stocker l'énergieexcédentaire sous forme hydrogène et de la réutiliser plus tard. En outre, le problème d'ombrage partiel dePanneaux Photovoltaïques est étudié de manière approfondie. Une nouvelle solution basée sur des interrupteurssimples et un contrôle par logique floue intégré dans une carte électronique dSPACE a été proposée. Unereconfiguration des panneaux photovoltaïques en temps réel et de déconnexion de ceux ombragés est égalementeffectuée en cherchant à minimiser les pertes de puissance. Le couplage thermique entre ces panneauxphotovoltaïques et un électrolyseur à membrane polymère est également étudié, à l'échelle système. Enrécupérant une partie de l'énergie thermique reçue par les panneaux, une amélioration du rendement du systèmehybride PPVELS MEP est réalisée / The limited reserves of fossil fuel and the pollution gases produced pave the way to promising alternativeRenewable Energy Sources (RESs) such as Solar Energy Sources (SESs) and Wind Energy Sources (WESs).SESs and WESs are freely available and environmentally friendly. However, RESs are intermittent in nature.Therefore, the smoothing of power fluctuations by storing the energy during periods of oversupply and restore it tothe grid when demand becomes necessary. Accordingly, Energy Storage Systems (ESSs) can be appropriatelyused for this purpose.Using several energy sources for constructing HPSs alongside with ESS will require an energy managementstrategy to achieve minimum HPS cost and optimal balance between energy generation and energy consumption.This energy management method is a mechanism to achieve an ideal energy production and to conveniently satisfythe load demand at relatively high efficiency.In this thesis, a Hybrid Power System (HPS) including Renewable Energy Sources (RESs) such as main sourcescombined with Gas Micro-Turbine (GMT) and hydrogen storage system such as Back-up Sources (BKUSs) hasbeen presented. The aim of this hybridization is to build a reliable system, which is able to supply the load andhaving the ability to store the excess energy in hydrogen form and reuse it later when demanded. Consequently, thestored energy at the end of each cycle will be zero and a minimum generated power cost is achieved. In addition,partial shading problem of Photovoltaic (PV) panels is comprehensively studied and a new solution based on simpleswitches and Fuzzy Logic Control (FLC) integrated into dSPACE electronic card is created. Consequently, a realtime PV panels reconfiguration and disconnecting shaded ones is performed and minimum power losses isachieved. Then, the PV panels are connected to a Proton Exchange Membrane Electrolyser (PEM ELS). Theemitted temperature by the PV panels is transferred to the endothermic element PEM ELS. Consequently, anefficiency enhancement of the hybrid system PVPEM ELS is realized.

Les systèmes embarqués tels que les téléphones portables ou les lecteurs multimédia intègrent de plus en plus de fonctions consommatrices d'énergie ce qui a pour conséquence directe une diminution de leurs autonomies. Les applications audio dans les téléphones cellulaires et en particulier l'application casque font partie des fonctions les plus consommatrices d'énergie. Après un état de l'art des solutions permettant l'amplification de signaux audio, l'amplificateur de classe G à été identifié comme étant le meilleur candidat pour obtenir une amélioration du rendement tout en fournissant une bonne qualité de reproduction sonore. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur la détection d'enveloppe de ces architectures qui est un facteur clé dans la maximisation du rendement. Une étude des propriétés temporelles, fréquentielles et statistiques des signaux présents en entrée de l'amplificateur a ainsi été menée pour mettre en évidence les différences entre les signaux classiquement utilisés (signal sinusoïdal) et les signaux réellement écoutés par les utilisateurs (musique). Après avoir effectué une sélection de signaux pour la suite de notre étude, nous avons également caractérisé la puissance correspondant à des conditions normales d'écoute afin d'obtenir par la suite un environnement de test proche des conditions réelles de fonctionnement. Un modèle simplifié et rapide d'amplificateur hybride permettant d'obtenir en quelques dizaines de secondes, l'évaluation du rendement, de la consommation et de la qualité sonore dans des conditions réelles de fonctionnement a été développé. Notre modèle, entièrement configurable et réadaptable à d'autres types de circuits a été validé par mesures pratiques des performances d'un amplificateur existant. Les paramètres de la détection d'enveloppe de ce modèle ont fait l'objet d'une optimisation basée sur le couplage séquentiel de deux algorithmes d'optimisation, permettant ainsi dans un temps limité d'obtenir une solution optimale sans solution de départ sous des conditions réelles d'utilisation. La suite de notre étude nous a conduit à étudier, modéliser, optimiser et comparer des amplificateurs de classe G possédant un nombre de tensions d'alimentation supérieur (3, 4) ainsi que des amplificateurs de classe H (alimentations continues) afin d'améliorer encore le rendement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle détection d'enveloppe permettant d'améliorer le rendement à faible puissance. Cette nouvelle détection d'enveloppe permet à l'amplificateur de classe G un fonctionnement en « multi niveau » et d'être auto adaptatif au signal audio présent en entrée de l'amplificateur. Après avoir développé des méta-modèles pour optimiser les paramètres de la détection d'enveloppe, cette détection d'enveloppe a été implémentée au niveau transistor en technologie 0.25μm de ST Microelectronics. / Embedded systems such as mobile phones, tablets and GPS incorporate an increasing number of electronic functions that generate a decrease in battery life. The aim of this work is to propose new solutions for audio amplifiers for the headphone application because this application has a large impact on battery autonomy. To improve the efficiency of actual amplifiers, a behavioral model of this kind of amplifier has been developed and validated by practical measures. This model, fast, accurate and reconfigurable allows in few seconds to evaluate the efficiency, consumption and quality of sound reproduction in real conditions of operation. Through the use of this model coupled with an optimizing method based on two algorithms, several architectures of level detector were studied and compared allowing to define the best compromise. A new architecture is then proposed, simulated and optimized in a 0.25μm technology from ST Microelectronics to demonstrate the feasibility of the solution.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en oeuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l'énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement d'eau usée autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d'énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l'énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l'énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l'énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs ont été testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L, construites de façon similaire. Bien que d'autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d'améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d'énergie de point de puissance maximal et les PCMs ont été testées avec des conditions de récupération d'énergie réalistes. Récupérer un maximum d'énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. Cela est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l'énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L'oscillateur d'Armstrong, composé d'inductances couplées à fort rapport d'enroulement et d'un interrupteur normalement-fermé permet d'élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continues comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d'électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l'énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1 mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en oeuvre une commande qui recherche le point de puissance maximal du générateur. Une seconde application d'intérêt concerne le cas où de l'énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L'association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d'équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit " complete disconnection " déconnecte une cellule défectueuse de l'association pour s'assurer qu'elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit " switched-capacitor " transfère de l'énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l'association. Le circuit " switched-MFCs " connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en oeuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la " switched-capacitor " qui permet de récupérer plus de 85 % de la puissance maximum idéale d'une association très largement non uniforme.

Un véhicule hybride est un véhicule qui dispose d'au moins deux sources d'énergie pour son déplacement. Dans le cas du véhicule hybride thermique électrique, une source est non-réversible (réservoir de carburant) l'autre est réversible (batterie).<br />Le problème est d'utiliser de manière optimum par rapport à la consommation de carburant (et donc les émissions de CO2) l'énergie disponible dans la batterie. Cette optimisation est possible en utilisant au mieux les degrés de liberté de la chaîne de traction du véhicule (rapports de boîte par exemple), tout en satisfaisant la demande de puissance du conducteur.

Le développement massif des énergies renouvelables intermittentes dans les systèmes de puissance affecte le fonctionnement des systèmes électriques. En raison des techniques limitées et des investissements nécessaires pour maintenir le niveau de sécurité électrique actuel, les questions liées à l'envoi, à la stabilité statique et dynamique pourraient arrêter le développement de ces sources. Le sujet de la thèse est de développer un outil pour mesurer l'incertitude sur la disponibilité de la puissance produite par les générateurs photovoltaïques dans un réseau urbain. Premièrement, l'incertitude est modélisée par l'étude de la nature incertaine de la PV énergie production et de la charge. Avec les méthodes stochastiques, on calcule la réserve de puissance (OR) un jour d'avance en tenant compte d'un indice de risque de fiabilité associé. Ensuite, l'OR est distribué en différents générateurs (générateurs photovoltaïques actifs et micro-turbines à gaz). Afin de minimiser le coût opérationnel total et/ou les émissions équivalentes de CO2, une planification optimale et une répartition quotidienne de l'OR dans différents générateurs d'énergie sont mises en œuvre. Enfin, un logiciel libre «Un système de gestion de l'énergie convivial et un superviseur de la planification opérationnelle» est développé à partir de l'interface utilisateur graphique de Matlab pour conceptualiser le fonctionnement global du système. / The massive development of intermittent renewable energy technologies in power systems affects the operation of electrical systems. Due to technical limitations and investments needed to maintain the current electrical security level, issues related to dispatching, static and dynamic stability could stop the development of these distributed renewable energy sources (RES). The subject of the PhD is to develop a tool to study the uncertainties of PV power and load forecasting in an urban network. Firstly, the uncertainties are modeled by studying the uncertainty nature of PV power and load. With stochastic methods, the day-ahead operating reserve (OR) is quantified by taking into account an associated reliability risk index. Then the OR is dispatched into different power generators (active PV generators and micro gas turbines). To minimize the microgrid total operational cost and/or equivalent CO2 emissions, day-ahead optimal operational planning and dispatching of the OR into different power generators is implemented. Finally, a freeware “A User-friendly Energy Management System and Operational Planning Supervisor” is developed based on the Matlab GUI to conceptualize the overall system operation