Monika Sarah Jagiellowicz-Kaufmann

• Die begrenzte Reichweite ist einer der Hauptgründe für das derzeitige mangelnde Kaufinteresse an Elektrofahrzeugen. Neben rein komponentenoptimierenden Maßnahmen, wie der Verbesserung der Batterie, ist die Förderung von Eco-Driving, also einer energieeffizienten Fahrweise, ein effektiver Ansatz zur Steigerung der Reichweite. Trainings und visuell dargebotene Eco-Assistenten können Eco-Driving wirksam steigern, schöpfen aber nicht dessen gesamtes Potential aus. Angepasste Pedal- und Motorkennlinien könnten Eco-Driving zusätzlich fördern. FürDie begrenzte Reichweite ist einer der Hauptgründe für das derzeitige mangelnde Kaufinteresse an Elektrofahrzeugen. Neben rein komponentenoptimierenden Maßnahmen, wie der Verbesserung der Batterie, ist die Förderung von Eco-Driving, also einer energieeffizienten Fahrweise, ein effektiver Ansatz zur Steigerung der Reichweite. Trainings und visuell dargebotene Eco-Assistenten können Eco-Driving wirksam steigern, schöpfen aber nicht dessen gesamtes Potential aus. Angepasste Pedal- und Motorkennlinien könnten Eco-Driving zusätzlich fördern. Für deren Bewertung sind die Wirksamkeit und Akzeptanz bisher nicht gemeinsam berücksichtig worden oder sie wurden nicht im Elektrofahrzeug evaluiert und validiert. Zu diesen Anpassungen zählen eine Veränderung des Beschleunigungspedals, sodass mit diesem gleichzeitig beschleunigt und rekuperiert werden kann, die Limitierung von Drehmoment und Leistung und der Einsatz eines aktiven Beschleunigungspedals, welches Widerstände abhängig von Fahrzeug- oder Situationsparametern aktiviert. Für diese Arbeit habe ich daher die Pedal- und Motorkennlinien entsprechend angepasst und in ein validiertes Elektroautomodell implementiert. Ziel war es, verschiedene Fahrverhaltensbereiche im Elektrofahrzeug, die Eco-Driving kennzeichnen (energieoptimales Beschleunigen und Verzögern, Einhalten von Geschwindigkeitsbegrenzungen, vorausschauendes Fahren), benutzerfreundlich, akzeptabel und wirksam zu unterstützen. Zu diesem Zweck habe ich vier Probandenstudien im bewegten Fahrsimulator durchgeführt und geeignete Pedal- und Motorkennlinien empirisch bestimmt. In der ersten Studie habe ich untersucht, ob und warum eine Pedalkennlinie zu bevorzugen ist, bei der mit dem Beschleunigungspedal anstelle des Bremspedals rekuperiert wird. Das Ziel der zweiten Studie war es, eine geeignete Rekuperationsstärke für ein kombiniertes Beschleunigungspedal, bei dem mit dem Beschleunigungspedal rekuperiert wird, zu bestimmen. In der dritten Studie habe ich evaluiert, ob die Limitierung der Leistung oder die des Drehmoments zu bevorzugen ist, um das Beschleunigungsverhalten zu optimieren und wie stark die Limitierungen optimaler Weise sein sollten. Basierend auf den Ergebnissen der dritten Studie, habe ich schließlich einen optimierten Limitierungsansatz konzipiert, diesen mit einem aktiven Beschleunigungspedal verglichen und bestimmt, welcher Ansatz zu bevorzugen ist. Aufgrund der Studienergebnisse werden folgende Ansätze für die jeweiligen Eco-Driving-Fahrverhaltensbereiche empfohlen und es werden folgende Gestaltungsempfehlungen abgeleitet: Zur Förderung eines energieeffizienten Beschleunigungsverhaltens ist die Limitierung von Drehmoment und Leistung geeignet. Die Limitierung des Drehmoments ist hierbei besonders wirksam in geringen, die Limitierung der maximalen Leistung in höheren Geschwindigkeitsbereichen. Zu empfehlen sind parallele mittelstarke Limitierungen von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung, die Beschleunigungen mit 2.0 m/s² erlauben, bei gleichzeitiger Bereitstellung eines Kick-Downs. Ein aktives Beschleunigungspedal ist insbesondere aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit zur Förderung eines energieeffizienten Beschleunigungsverhaltens nur eingeschränkt empfehlenswert. Zur Förderung eines energieeffizienten Verzögerungsverhaltens wird die Implementierung der Rekuperationsfunktion auf dem Beschleunigungspedal anstelle des Bremspedals empfohlen, da dies einerseits ermöglicht, auf hydraulisches Bremsen zu verzichten und gleichzeitig mehr Energie rekuperiert werden kann. Ersteres trägt zu einer hohen Akzeptanz bei, letzteres zu einer günstigen Energiebilanz. Besonders effektiv und akzeptabel ist ein kombiniertes Fahrbremspedal, wenn es eine starke Rekuperation ermöglicht (zwischen -1.7 und -2.1 m/s²). Weiterhin ist ein aktives Beschleunigungspedal, das den geeigneten Zeitpunkt für eine maximal energieeffiziente Verzögerung mit einem kombinierten Fahrbremspedal anzeigt, wirksam, um die rekuperierte Energie zu steigern. Auf diese Weise kann zudem eine vorausschauende Fahrweise unterstützt werden. Hierbei muss jedoch die Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit optimiert werden, um eine gesteigerte kognitive Fahrerbeanspruchung und Minderungen der Akzeptanz zu vermeiden. Zur Unterstützung der Einhaltung von Geschwindigkeitsbegrenzungen ist ebenfalls das aktive Beschleunigungspedal geeignet. Der Fahrer sollte hierbei aber die Möglichkeit haben, individuell Grenzwerte einzustellen. Die Verknüpfung eines kombinierten Fahrbremspedals mit einer Limitierung von Drehmoment und Leistung sowie einem aktiven Beschleunigungspedal kann abschließend, unter Berücksichtigung der abgeleiteten Gestaltungsempfehlungen, als effektive und akzeptable Möglichkeit zur Förderung unterschiedlicher Verhaltensbereiche von Eco-Driving bewertet werden. Die erwarteten Synergieeffekte der evaluierten Ansätze in Verbindung mit Eco-Trainings und visuell dargebotenen Eco-Feedback-Assistenten sowie deren Langfristigkeit sollten Gegenstand weiterführender Forschung sein.…
• The limited range of electric vehicles (EV) is one of the major reasons for the current lack of buying interest. Besides optimizing battery capacity, eco-driving is an effective approach for extending EVs range. Trainings and visually presented assistance systems are effective but do max out the full potential of eco-driving. Yet, adapting accelerator pedal and motor characteristics may additionally support eco-driving. So far, these adaptations were not evaluated concerning both usability and effectiveness simultaneously, however, or they wereThe limited range of electric vehicles (EV) is one of the major reasons for the current lack of buying interest. Besides optimizing battery capacity, eco-driving is an effective approach for extending EVs range. Trainings and visually presented assistance systems are effective but do max out the full potential of eco-driving. Yet, adapting accelerator pedal and motor characteristics may additionally support eco-driving. So far, these adaptations were not evaluated concerning both usability and effectiveness simultaneously, however, or they were not evaluated and validated in the context of EVs. The adaptations of interest are first a combination of accelerator and brake pedal, which allows accelerating and regenerative braking by means of only one pedal, second limitations of engine’s maximum torque or power and third an active accelerator pedal which activates forces depending on vehicle or situation parameters. Within the scope of this thesis, I therefore adapted accelerator pedal and motor characteristics respectively and implemented them in a validated electric vehicle model. The aim was to support several eco-driving characteristics (energy efficient accelerating and decelerating, compliance with speed limits, anticipatory driving) in a usable and effective manner. In order to determine suitable accelerator pedal and motor characteristics I thus conducted four experiments in a dynamic simulator. In the first study I evaluated whether recuperating by means of the accelerator or the brake pedal is preferred. The aim of the second study was to determine an appropriate recuperation force when using a combined accelerator pedal which allows recuperating by means of the accelerator pedal. In the third study I evaluated on the one hand whether a limitation of engines torque or power is preferred in order to support energy efficient acceleration and on the other hand how intense limitations should be. Based on the findings of the third study I finally optimized the limitation approach, compared this approach with an active accelerator pedal and evaluated which approach is preferred. Based on the study results, I recommend following adaptations for the respective eco-driving characteristics and derive further design implications: Limiting maximum torque and power is most appropriate for supporting energy efficient acceleration behavior. The limitation of maximum torque is most effective at lower speed range, the limitation of maximum power at higher speed range. I recommend limitating maximum torque and power simultaneously, however, allowing accelerations of 2.0 m/s² and proving a kick-down which deactivates the limitations. Though an active accelerator pedal is effective for supporting energy efficient acceleration behavior it is not recommended for usability reasons. For supporting energy efficient deceleration behavior the implementation of regenerative braking on the accelerator pedal instead of the braking pedal is recommended as it enables dispensing with hydraulic braking on the one hand and increases regenerated energy on the other hand. The former contributes to a high level of acceptance, the latter to a favorable energy balance. In particular strong regenerative braking (between -1.7 and -2.1 m/s²), when using a combined pedal solution, is effective and usable. Furthermore, an active accelerator pedal, which indicates the appropriate time for a maximum energy efficient deceleration with a combined pedal solution, is effective to increase regenerated energy. By this means, also an anticipatory driving style is supported. Nevertheless, accuracy of function and its usability need to be optimized in order to avoid increasing driver workload and decreasing acceptance. Furthermore, an active accelerator pedal is also applicable for supporting compliance with speed limits. However, the possibility of individual customizing of thresholds should be provided. Finally, taking into account the design recommendations, a combination of a combined pedal solution, limitation of maximum torque and power and an active accelerator pedal is a usable and effective approach for supporting various eco-driving characteristics. The expected synergy effects of the evaluated approaches in combination with eco-trainings and visually presented eco-feedback assistance system as well as their long-term effectiveness should be subject of further research.…