Optimal Control (OC) is essentially a mathematical extremal problem. The procedure consists on the definition of a criterion to minimize (or maximize), some constraints that must be fulfilled and boundary conditions or disturbances affecting to the system behavior. The OC theory supplies methods to derive a control trajectory that minimizes (or maximizes) that criterion. This dissertation addresses the application of OC to automotive control problems at the powertrain level, with emphasis on the internal combustion engine. The necessary tools are an optimization method and a mathematical representation of the powertrain. Thus, the OC theory is reviewed with a quantitative analysis of the advantages and drawbacks of the three optimization methods available in literature: dynamic programming, Pontryagin minimum principle and direct methods. Implementation algorithms for these three methods are developed and described in detail. In addition to that, an experimentally validated dynamic powertrain model is developed, comprising longitudinal vehicle dynamics, electrical motor and battery models, and a mean value engine model. OC can be utilized for three different purposes: 1. Applied control, when all boundaries can be accurately defined. The engine control is addressed with this approach assuming that a the driving cycle is known in advance, translating into a large mathematical problem. Two specific cases are studied: the management of a dual-loop EGR system, and the full control of engine actuators, namely fueling rate, SOI, EGR and VGT settings. 2. Derivation of near-optimal control rules, to be used if some disturbances are unknown. In this context, cycle-specific engine calibrations calculation, and a stochastic feedback control for power-split management in hybrid vehicles are analyzed. 3. Use of OC trajectories as a benchmark or base line to improve the system design and efficiency with an objective criterion. OC is used to optimize the heat release law of a diesel engine and to size a hybrid powertrain with a further cost analysis. OC strategies have been applied experimentally in the works related to the internal combustion engine, showing significant improvements but non-negligible difficulties, which are analyzed and discussed. The methods developed in this dissertation are general and can be extended to other criteria if appropriate models are available. / El Control Óptimo (CO) es esencialmente un problema matemático de búsqueda de extremos, consistente en la definición de un criterio a minimizar (o maximizar), restricciones que deben satisfacerse y condiciones de contorno que afectan al sistema. La teoría de CO ofrece métodos para derivar una trayectoria de control que minimiza (o maximiza) ese criterio. Esta Tesis trata la aplicación del CO en automoción, y especialmente en el motor de combustión interna. Las herramientas necesarias son un método de optimización y una representación matemática de la planta motriz. Para ello, se realiza un análisis cuantitativo de las ventajas e inconvenientes de los tres métodos de optimización existentes en la literatura: programación dinámica, principio mínimo de Pontryagin y métodos directos. Se desarrollan y describen los algoritmos para implementar estos métodos así como un modelo de planta motriz, validado experimentalmente, que incluye la dinámica longitudinal del vehículo, modelos para el motor eléctrico y las baterías, y un modelo de motor de combustión de valores medios. El CO puede utilizarse para tres objetivos distintos: 1. Control aplicado, en caso de que las condiciones de contorno estén definidas. Puede aplicarse al control del motor de combustión para un ciclo de conducción dado, traduciéndose en un problema matemático de grandes dimensiones. Se estudian dos casos particulares: la gestión de un sistema de EGR de doble lazo, y el control completo del motor, en particular de las consignas de inyección, SOI, EGR y VGT. 2. Obtención de reglas de control cuasi-óptimas, aplicables en casos en los que no todas las perturbaciones se conocen. A este respecto, se analizan el cálculo de calibraciones de motor específicas para un ciclo, y la gestión energética de un vehículo híbrido mediante un control estocástico en bucle cerrado. 3. Empleo de trayectorias de CO como comparativa o referencia para tareas de diseño y mejora, ofreciendo un criterio objetivo. La ley de combustión así como el dimensionado de una planta motriz híbrida se optimizan mediante el uso de CO. Las estrategias de CO han sido aplicadas experimentalmente en los trabajos referentes al motor de combustión, poniendo de manifiesto sus ventajas sustanciales, pero también analizando dificultades y líneas de actuación para superarlas. Los métodos desarrollados en esta Tesis Doctoral son generales y aplicables a otros criterios si se dispone de los modelos adecuados. / El Control Òptim (CO) és essencialment un problema matemàtic de cerca d'extrems, que consisteix en la definició d'un criteri a minimitzar (o maximitzar), restriccions que es deuen satisfer i condicions de contorn que afecten el sistema. La teoria de CO ofereix mètodes per a derivar una trajectòria de control que minimitza (o maximitza) aquest criteri. Aquesta Tesi tracta l'aplicació del CO en automoció i especialment al motor de combustió interna. Les ferramentes necessàries són un mètode d'optimització i una representació matemàtica de la planta motriu. Per a això, es realitza una anàlisi quantitatiu dels avantatges i inconvenients dels tres mètodes d'optimització existents a la literatura: programació dinàmica, principi mínim de Pontryagin i mètodes directes. Es desenvolupen i descriuen els algoritmes per a implementar aquests mètodes així com un model de planta motriu, validat experimentalment, que inclou la dinàmica longitudinal del vehicle, models per al motor elèctric i les bateries, i un model de motor de combustió de valors mitjans. El CO es pot utilitzar per a tres objectius diferents: 1. Control aplicat, en cas que les condicions de contorn estiguen definides. Es pot aplicar al control del motor de combustió per a un cicle de conducció particular, traduint-se en un problema matemàtic de grans dimensions. S'estudien dos casos particulars: la gestió d'un sistema d'EGR de doble llaç, i el control complet del motor, particularment de les consignes d'injecció, SOI, EGR i VGT. 2. Obtenció de regles de control quasi-òptimes, aplicables als casos on no totes les pertorbacions són conegudes. A aquest respecte, s'analitzen el càlcul de calibratges específics de motor per a un cicle, i la gestió energètica d'un vehicle híbrid mitjançant un control estocàstic en bucle tancat. 3. Utilització de trajectòries de CO com comparativa o referència per a tasques de disseny i millora, oferint un criteri objectiu. La llei de combustió així com el dimensionament d'una planta motriu híbrida s'optimitzen mitjançant l'ús de CO. Les estratègies de CO han sigut aplicades experimentalment als treballs referents al motor de combustió, manifestant els seus substancials avantatges, però també analitzant dificultats i línies d'actuació per superar-les. Els mètodes desenvolupats a aquesta Tesi Doctoral són generals i aplicables a uns altres criteris si es disposen dels models adequats. / Reig Bernad, A. (2017). Optimal Control for Automotive Powertrain Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90624

The aggregate stone industry produces stone – a critical material for the construction industry value chain, and is, thus, a valuable resource for building materials, highlighting the society’s need for critical products. The stone is mined and refined in so-called quarries. Yet, the industry is classified as an environmentally hazardous activity as it has traditional ways of consuming fossil fuels. Given that the industry is hazardous, the aggregate stone business needs to become more sustainable.  This master's thesis was carried out at a large Swedish construction company and the aggregate stone industry. Where perceptions of challenges around sustainability, and productivity were studied, these three pillars have permeated the work. Due to the hazardous industry, there is a need to reconcile and implement related tensions concerning Lean principles and circular economy in the traditional industries as construction. Because sustainability is the praxis in today's society. Since the process changes have a significant role in Lean, which strives to create flows and minimise waste of resources through various efficiencies. In order to make the industry more sustainable, the circular economy is an approach for maintaining a favourable environment and reducing waste, as well as adopting useful mechanisms and processes as recycling and reuse. This study focuses on the economic and environmental aspects of sustainability. Based on the study results, the aggregate stone industry should adapt its organisation to work towards the Lean principles and circular economy to be more favourable in these two aspects. Data were collected through interviews with experts in the aggregate stone industry and through observations at selected facilities. Production and workflow in the industry should be prioritised to focus on developing the six themes examined across the value-chain: location, machinery, resources, communication and information, the employees and finally, the end-user. Increased awareness and knowledge in these areas and sustainability would mean better conditions for the companies to invest in financial and environmental resources to achieve a competitive advantage – a leading role in the industry. / Stenindustrin producerar sten – vilket är ett kritiskt material för byggbranschens värdekedja, och är därmed en värdefull resurs för byggmaterial som lyfter fram samhällets behov av kritiska produkter. Stenen bryts och förädlas i så kallade stenbrott. Trots allt klassas branschen som en miljöfarlig verksamhet eftersom den har traditionella sätt att konsumera fossila bränslen, vilket leder till att stenverksamheten behöver bli mer hållbar. Detta examensarbete har genomförts på ett stort svenskt byggföretag och inom stenindustrin. Där uppfattningar om utmaningar kring hållbarhet och produktivitet har studerats vilket har genomsyrat arbetet. I och med den miljöfarliga branschen finns det ett behov av att förena och implementera förändringar relaterade till teorier. Teorierna Lean och cirkulär ekonomi kan anses som ett traditionellt sätt för att motverka den miljöfarliga branschen som bygg- och anläggningsbranschen upprätthåller, då hållbarhet är en praxis i dagens samhälle. Givet de betraktade teorier, har processförändringar en betydande roll inom Lean, som strävar efter att skapa flöden och minimera slöseri med resurser genom olika effektiviseringar. För att göra branschen mer hållbar är den cirkulära ekonomin ett tillvägagångssätt för att upprätthålla en gynnsam miljö och minska avfallet, samt upprätthålla användbara mekanismer och processer som återvinning och återanvändning. Denna studie fokuserar på de ekonomiska och miljömässiga aspekterna inom hållbarhet. Baserat på studieresultaten bör stenmaterialsindustrin anpassa sin organisation för att arbeta mot Lean-principerna och den cirkulära ekonomin för att vara mer gynnsam i dessa två aspekter. Data samlades in genom intervjuer med experter inom bergtäktsindustrin och genom observationer på utvalda anläggningar. Produktion och förvaltning bör prioriteras i branschen för att fokusera på att utveckla de sex teman som granskas över hela värdekedjan: plats, maskiner, resurser, kommunikation och information, de anställda och slutligen slutanvändaren. Ökad medvetenhet och kunskap inom dessa områden och hållbarhet skulle innebära bättre förutsättningar för företagen att investera i ekonomiska och miljömässiga resurser för att uppnå en konkurrensfördel– en ledande roll inom branschen.

Syftet med detta examensarbete var att skapa ett serverprogram i en enkortsdator som arbetar i realtid för att kunna hjälpa människor att köra mer ekonomiskt och miljövänligt i deras vardag. Detta var ett av målen ställda av produktbeställaren Ziggy Creative Colony. Ett mer långsiktigt mål från beställaren är att datorn skall installeras i en bil och kopplas till bilens on-board diagnostic-II (OBD-II)-uttag. Datorn ska sedan, via OBD-II, kunna samla information som till exempel hastighet, acceleration och bränsleflöde från bilens engine control unit (ECU). Serverprogrammet ska bearbeta denna information som sedan kommuniceras och visualiseras till bilföraren via en native mobilapplikation. Serverprogrammet byggdes i en linuxbaserad dator: Raspberry Pi och döptes av oss till Car-Pi. Car-Pi designades enligt arkitekturmönstret Model-View-Controller (MVC) som gör det lätt att underhålla, vidare-utveckla och implementera programmet av produktägaren, Ziggy Creative Colony, i framtiden. I och med denna rapport levererar vi programmet Car-Pi tillsammans med ett arkitektdokument och en prototyp till en Android mobilapplikation för att kunna testa Car-Pi och se hur det fungerar i verkligheten. / The purpose of this bachelor degree project was to create a server program in a single-board computer that will function in real time in order to help people drive more economically and eco-friendly. This was one of the goals set by the project owner, Ziggy Creative Colony. Another more long-term goal from Ziggy Creative Colony is that the computer should be installed in a car and connected to the car’s on-board diagnostics (OBD-II) connector. The computer should, via the OBD-II connection, be able to collect information such as speed, acceler-ation and fuel flow from the car’s engine control unit (ECU). The server program will then process this information that will later be communi-cated and visualized to the car driver via an Android mobile applica-tion. The server program was built in a linux-based computer: Raspberry Pi and named Car-Pi. Car-Pi was designed according to the well-known architectural pattern Model-View-Controller (MVC), which makes it easy to maintain, develop and implement the program by the project owner Ziggy Creative Colony in the future. With this report we are delivering the program Car-Pi together with an architectural document and an Android mobile application-prototype to show how Car-Pi functions in real life.

The growing presence of algorithm-generated recommendations in AI-powered services highlights the importance of responsible systems that explain outputs in a human-understandable form, especially in an automotive context. Implementing explainability in recommendations of AI-powered eco-driving is important in ensuring that drivers understand the underlying reasoning behind the recommendations. Previous literature on explainable AI (XAI) has been primarily technological-centered, and only a few studies involve the end-user perspective. There is a lack of knowledge of drivers' needs and requirements for explainability in an AI-powered eco-driving context. This study addresses the attributes that make a “satisfactory” explanation, i,e., a satisfactory interface between humans and AI. This study uses scenario-based interviews to understand the explainability attributes that influence truck drivers' intention to use eco-driving recommendations. The study used thematic analysis to categorize seven attributes into context-dependent (Format, Completeness, Accuracy, Timeliness, Communication) and generic (Reliability, Feedback loop) categories. The study contributes context-dependent attributes along three design dimensions: Presentational, Content-related, and Temporal aspects of explainability. The findings of this study present an empirical foundation into end-users' explainability needs and provide valuable insights for UX and system designers in eliciting end-user requirements.

Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist die Senkung der von Menschen hervorgerufenen CO2-Emissionen in den letzten Jahren zu einem der weltweit zentralen Themenfelder geworden. In diesem Kontext werden Elektrofahrzeuge als ein vielversprechender Lösungsansatz zur Verringerung der CO2-Emissionen im Transportsektor diskutiert und ihr Einsatz im Straßenverkehr im Rahmen zahlreicher nationaler Initiativen vorangetrieben. Elektrofahrzeuge weisen eine Reihe von Spezifika gegenüber konventionellen Fahrzeugen auf, aus denen verschiedene Herausforderungen für den Fahrer entstehen. Eine in diesem Zusammenhang zentrale Eigenschaft ist die vor dem Hintergrund von vergleichsweise langen Ladedauern und einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten begrenzte Reichweite. Zudem wird mit der Elektrifizierung des Verkehrs auch das im Fahrkontext bisher ungewohnte Konzept der Elektrizität mit seinen elektrischen Einheiten wie Watt und Ampere eingeführt. Zusätzlich steht mit der Rekuperationsfunktion ein neues System zur Verfügung, das dem Fahrer eine aktive Energierückgewinnung während Verzögerungsvorgängen ermöglicht. Die Aufgabe der Verkehrspsychologie ist es dabei, die aus diesen spezifischen Eigenschaften und neuen Systemen entstehenden Bedürfnisse und Anforderungen der Fahrer im Zusammenspiel mit dem Fahrzeug und der Fahrumgebung in den Mittelpunkt zu stellen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können entsprechende Empfehlungen und Maßnahmen abgeleitet werden, die der Verbreitung sowie der sicheren und effizienten Nutzung dieser Technologie dienlich sind. In diesem Sinne leistet auch die vorliegende Arbeit einen Beitrag, indem vor dem Hintergrund der spezifischen Eigenschaften und neuen Systeme von Elektrofahrzeugen Implikationen für die Nutzerschnittstelle, die veränderte Fahraufgabe sowie motivationale Aspekte abgeleitet werden. Dies geschieht vor allem im Hinblick auf die Energieeffizienz, die im Elektrofahrzeug einen besonderen Stellenwert besitzt. Das erste Forschungsziel der Dissertation bestand in der nutzerzentrierten Untersuchung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug sowohl generell vor dem Hintergrund der besonderen Merkmale dieses neuen Transportmittels als auch spezifisch basierend auf der Interaktion der Fahrer mit der begrenzten Reichweite dieser Fahrzeuge. Aus den Ergebnissen wurden konkrete Informationsbedarfe der Nutzer jenseits eines gewissen Informationsstandards deutlich, die in einem Anforderungskatalog zusammengefasst wurden, dessen Inhalte vor allem die Bedeutsamkeit der energieeffizienten Interaktion mit dem Elektrofahrzeug unterstreichen. Zudem zeigten sich Probleme der Nutzer hinsichtlich der Verständlichkeit des Konzepts von Elektrizität im Fahrkontext, besonders im Hinblick auf elektrische Einheiten, die eine Darstellung des Energieverbrauchs in der vertrauten und handlungsrelevanten Einheit Kilometer nahelegen. Ausgehend von den Ergebnissen der Evaluation der Anzeigen durch die Nutzer wurden diejenigen Prinzipien der Schnittstellengestaltung (Wickens, Lee, Liu, & Gordon-Becker, 2004) identifiziert, die im Kontext von Elektrofahrzeugen besondere Relevanz besitzen. Eine transparente und zuverlässige Darstellung der Wirkfaktoren auf den Energieverbrauch sowie konkreter Handlungsmöglichkeiten des Fahrers zur Senkung des Energieverbrauchs kann helfen, Nutzer in ihrem Anpassungsprozess an das elektrische Fahren zu unterstützen und Unsicherheitsgefühle in der Interaktion mit der begrenzten Reichweite zu reduzieren. Die Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren und assoziierter Lern- und Transferprozesse beim Fahren eines Elektrofahrzeugs waren Gegenstand des zweiten Forschungsziels. Aufeinander aufbauende Untersuchungen zeigten, dass unerfahrene Elektrofahrzeugnutzer ihr Wissen über energieeffiziente Fahrstrategien beim Wechsel vom Verbrenner- zum Elektrofahrzeug anpassen und dieses Wissen mit zunehmender Elektrofahrzeugerfahrung weiter zunimmt. Sowohl unerfahrene als auch erfahrene Elektrofahrzeugnutzer waren in der Lage, durch die Anwendung effektiver Verhaltensstrategien, wie etwa einer moderaten Beschleunigung und einer effizienten Nutzung der Rekuperationsfunktion, den Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs zu senken. Dies weist auf die Übertragung von Fertigkeiten im Umgang mit dem Verbrenner- auf das Elektrofahrzeug im Sinne eines positiven Transfers (Fitts & Posner, 1967) hin. Die Wirksamkeit einer wissensbasierten Intervention blieb auf einen positiven Effekt hinsichtlich des Wissens über energieeffiziente Strategien sowie positivere Einschätzungen der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren beschränkt. Um die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren auch hinsichtlich einer verbesserten Umsetzung energiesparender Verhaltensstrategien und einer daraus resultierenden besseren Perfomanz, also einem niedrigeren Energieverbrauch, zu unterstützen, kann die zusätzliche Implementierung von fertigkeitsbasierten, praktischen Komponenten hilfreich sein. Neben der Kompetenz eines Fahrers, energieeffizient zu fahren, sind für das tatsächliche Fahrverhalten vor allem auch motivationale Faktoren relevant (Hatakka, Keskinen, Gregersen, Glad, & Hernetkoski, 2002; Rothengatter, 1997; Summala, 2007). Diese motivationalen Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug wurden im Rahmen des dritten Forschungsziels näher beleuchtet. Dabei unterstreichen die gefundenen mittleren bis starken Zusammenhänge zwischen den untersuchten rationalen (Ajzen, 1991) und hedonischen, also spaßbetonten, Motiven und dem beobachteten Fahrerverhalten die Bedeutung der motivationalen Komponente im Kontext energieeffizienten Fahrens. Zudem implizieren die Ergebnisse eine teilweise höhere Motivation zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektro- im Vergleich zum Verbrennerfahrzeug; ein Potenzial, das möglichst voll ausgeschöpft werden sollte. Neben wichtigen rationalen Motivatoren kann hier vor allem das hedonische Motiv, also die Betonung von Spaß und Freude, beispielsweise bei der Gestaltung von Nutzerschnittstellen genutzt werden, um energieeffizientes Fahren nicht nur als zweckdienlich hinsichtlich der potenziellen Verlängerung der Reichweite, sondern auch als für den Nutzer positiv erlebbar zu machen. Die Ergebnisse der Dissertation verdeutlichen aus verkehrspsychologischer Sicht eine zentrale Bedeutung der Monitoringebene der Fahraufgabe (Hollnagel & Woods, 2005) im Elektrofahrzeug, also eine hohe Relevanz des Abgleichs von Informationen aus der Umwelt mit dem aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs. Hier kommt der Gestaltung der Nutzerschnittstelle als einem zentralen Stellglied zur Vermittlung situationsspezifischer, transparenter sowie handlungsrelevanter Informationen für den Fahrer eine besondere Bedeutung zu. Zusammenfassend unterstreichen die Befunde der Dissertation die zentrale Bedeutung einer energieeffizienten Interaktion mit dem Elektrofahrzeug. Unter diesem Fokus weisen die Ergebnisse konkrete Möglichkeiten auf, wie der Fahrer durch eine geeignete Gestaltung der Nutzerschnittstelle beim energieeffizienten Fahren unterstützt und die Verständlichkeit der Darstellung von Informationen zum Energieverbrauch erhöht werden kann. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass Anpassungsprozesse hinsichtlich der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren notwendig sind und wie sich diese zu Beginn der Elektrofahrzeugnutzung sowie mit zunehmender Elektrofahrzeugerfahrung entwickeln. Gleichzeitig weisen die Untersuchungen zur motivationalen Komponente energieeffizienten Fahrens auf ein erhöhtes Potenzial von Elektrofahrzeugen hin und betonen sowohl rationale und hedonische Motive als wichtige Faktoren im Zusammenhang mit energieeffizientem Fahren, die zugleich auch vielversprechende Ansatzpunkte für eine weitere Steigerung der Nachhaltigkeit dieser „grünen“ Technologie darstellen. / Against the background of climate change, the reduction of human-induced CO2 emissions has become one of the key issues world-wide during the last years. In this context, battery electric vehicles are discussed as a promising solution for the reduction of CO2 emissions in the transportation sector and their use in road traffic is expedited through numerous national initiatives. Battery electric vehicles exhibit a number of specific features compared to conventional vehicles which pose new challenges to the driver. In this connection, the most specific feature of battery electric vehicles is the limited range, which is specifically important given the limited availability of charging stations and currently long charging durations. Moreover, with the electrification of transportation the concept of electricity with its unfamiliar units like Watt and Ampere is introduced in the driving context. Additionally, the regenerative braking system offers the possibility to actively regain energy during deceleration manoeuvers. One task of traffic psychology is to focus on and investigate the drivers’ needs and requirements related to these specific features and the interaction with the vehicle and the environment. Based on the acquired knowledge, recommendations and measures can be derived, which could facilitate the adoption of battery electric vehicles as well as the efficient and safe usage of this technology. In that sense the contribution of the present dissertation is to derive implications for the design of the user interface, the changed driving task, and regarding motivational aspects based on the specific features and new systems incorporated in battery electric vehicles. These issues are specifically considered in the light of energy efficiency which is of particular importance in the context of battery electric vehicles. The first research objective of the present dissertation was the user-centred evaluation of a driver interface generally against the background of the specific characteristics of battery electric vehicles as well as specifically based on drivers‘ interaction with the limited range. Based on the results, users’ needs for additional information became apparent, which were compiled in a taxonomy of user requirements and further highlight the relevance of energy-efficient interaction with battery electric vehicles. Furthermore, the results revealed difficulties for users’ in comprehending the concept of electricity in the driving context, specifically regarding electric units of measurement. Hence a presentation of energy consumption using the familiar unit kilometres, which has also practical relevance for the driving task, is recommended. Based on the evaluation results of the displayed information, design principles (Wickens, Lee, Liu, & Gordon-Becker, 2004) which are specifically important in the context of battery electric vehicles are derived. A transparent and trustworthy presentation of influencing factors on energy efficiency as well as drivers’ concrete opportunities for actions may support users in the adaptation process initiated when starting to use an electric vehicle and reduce feelings of uncertainty when interacting with the limited range. The eco-driving competence and associated processes of learning and transfer when driving a battery electric vehicle were examined within the scope of the second research objective. Investigations revealed an adaptation of eco-driving knowledge when starting to use a battery electric vehicle instead of a conventional vehicle. Additionally, the eco-driving knowledge increased with battery electric vehicle use. Both inexperienced and experienced battery electric vehicle drivers were able to reduce the energy consumption of the battery electric vehicle by applying effective eco-driving strategies, such as accelerating moderately or using regenerative braking for deceleration manoeuvers. That implies the transfer of drivers’ eco-driving skills from conventional to battery electric vehicles in terms of a positive transfer (Fitts & Posner, 1967). The effectiveness of an implemented knowledge-based intervention to enhance the eco-driving competence of inexperienced battery electric vehicle users was limited to an increase in drivers’ eco-driving knowledge and more positive subjective assessments of their eco-driving competence. In order to enhance users’ eco-driving competence also regarding eco-driving behaviour and performance (i.e. reduced energy consumption) the implementation of supplemental skill-based components might be effective. Beside a driver’s eco-driving competence, motivational aspects are important determinants of driving behaviour (Hatakka, Keskinen, Gregersen, Glad, & Hernetkoski, 2002; Rothengatter, 1997; Summala, 2007). The third research objective aimed to shed light on motivational aspects of battery electric vehicle eco-driving. In this regard the obtained medium-sized to strong correlations between rational (Ajzen, 1991) and hedonic (i.e. fun-oriented) motives and normal driving behaviour underline the relevance of motivational components in the context of eco-driving. Moreover, results indicate a to some extent higher motivation to drive efficiently with battery electric compared to conventional vehicles – a potential which should be fully exploited. Beside important rational motivators, hedonic values – i.e. feelings of pleasure or joy – could be used to experience eco-driving positively in terms of enjoying to efficiently interact with battery electric vehicles rather than merely prolonging the vehicle‘s range. From the perspective of traffic psychology the results of the dissertation emphasise the relevance of the monitoring layer of the driving task (Hollnagel & Woods, 2005) in battery electric vehicle use, which is characterised by a permanent comparison of the environment and the vehicle state. In this connection the design of the user interface is of specific relevance in terms of providing transparent, situation-specific, and action-oriented information to the driver. In sum, findings of the dissertation highlight the specific relevance of an energy-efficient interaction with battery electric vehicles. Focussing on this issue, results show concete possibilities to design the user interface of battery electric vehicles in a way to support the driver in eco-driving and to improve the comprehensibility of associated energy consumption information. Moreover, results reveal that adapation processes in terms of eco driving competence from internal combustine engine vehicles to battery electric vehicles occur and shed light on the deveopment of eco-driving competence with battery electric vehicle experience. Additionally, investigations concerning motivational aspects of eco-driving imply an increased potential of battery electric compared to conventional vehicles. Both rational and hedonic motives are important factors that are linked to battery electric vehicle eco-driving, which supplementary represent promising possibilities to further enhance the sustainability of this inherently „green“ technology.

Pour résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques liés au nombre croissant de véhicules en circulation, deux approches sont envisageables : l'une est technologique et vise à améliorer les composants du véhicule ou son architecture, l'autre est comportementale et cherche à changer la manière d'utiliser les véhicules. Dans ce contexte, l'éco-conduite représente une méthode, applicable immédiatement, permettant à chaque conducteur de réduire sa consommation. L'objectif de cette thèse est donc l'analyse des gains potentiels de l'éco-conduite pour les différents types de véhicules existant : thermique, électrique et hybride. Ainsi, la première partie de ce travail se focalise sur une étude théorique visant à calculer les gains potentiels et à déterminer les règles d'éco-conduite, avant d'aborder dans un second temps une mise en situation plus réaliste et une intégration des algorithmes dans un système d'assistance pour le conducteur. En s'appuyant sur une modélisation énergétique des différents types de véhicules, la détermination et la comparaison du fonctionnement optimal se base sur l'optimisation du profil de vitesse pour des trajets connus. La programmation dynamique a été mise enoeuvre pour calculer la trajectoire optimale énergétique en tenant compte de la contrainte temporelle afin de ne pas pénaliser l'intérêt d'une conduite économe. Evidemment, l'intégration de l'éco-conduite doit, d'une part, tenir compte du trafic à proximité du véhicule et d'autre part, ne pas aboutir à une augmentation des émissions de polluants. Ainsi, en nous appuyant sur des modèles de suivi de véhicules (trafic), nous avons montré que les principes d'éco-conduite restent valables et conduisent de toute façon à des gains énergétiques. Concernant les contraintes d'émissions, des résultats expérimentaux nous ont conduit à adapter nos algorithmes pour répondre simultanément aux aspects écologiques et économiques. Enfin, les connaissances acquises ont été appliquées à la conception d'un système d'assistance testé sur un simulateur de conduite. / The transportation sector has been identified as one of many sources of today's energetic and environmental problems. With constantly increasing numbers of vehicles on the road, non-renewable fossil fuels are becoming scarce and expensive. In addition, due to the pollutant emissions of internal combustion engines, the transportation sector is a major producer of greenhouse gas emissions. To resolve these problems researcher are looking for technological solutions, such as more efficient components and alternative drive train technologies, on one hand. On the other hand, work is being done to ensure the most efficient utilization of available technological resources. Eco driving is one way to immediately reduce a driver's energy consumption. In this thesis the potential gains of eco driving for passenger vehicles will be discussed. The main objective of this work is to, first, identify and compare drive train specific, optimal vehicle operation. Secondly, the effect of real-life constraints on potential gains of eco driving is evaluated. In addition, an approach to integrate mathematical optimization algorithms in an advanced driver assist system for eco driving is proposed. Physical vehicle models are developed for three representative vehicles: the conventional, electric and power-split hybrid vehicle. Using real-life and standard drive cycles a baseline mission is defined by specifying trip and road constraint. Applying the dynamic programming algorithms the trajectory optimization problem is solved, minimizing energy consumption for the trip. The effect of traffic on potential gains of eco driving is discussed, considering a vehicle following situation. Integrating emission constraints in the optimization algorithm the environmental advantages of eco driving are discussed. Finally, the developed algorithms were integrated in a driver assist system. Experimental tests on a driving simulator were used to verify the effectiveness of the system, as well as driver acceptance.

La conduite d’un véhicule industriel est une activité professionnelle complexe qui s’exerce dans un environnement dynamique en constante évolution. Elle nécessite un apprentissage spécifique et se situe dans un cadre réglementaire strict, qui relève aussi bien du code du travail que de la réglementation routière. A ces caractéristiques s’ajoutent de fortes contraintes spatio-temporelles qui imposent aux conducteurs le recours à des stratégies opératoires pour répondre à l’objectif principal de leur activité : le respect des délais de livraison dans des conditions optimales de sécurité, de sûreté et de productivité.Cette thèse traite de l'apport de la psychologie cognitive à la conception de systèmes d'assistance à la conduite de véhicules industriels. Les travaux sont destinés à intégrer, dès la conception des nouveaux systèmes, les contraintes du fonctionnement cognitif humain en situation réelle, ainsi que les besoins et attentes des conducteurs, afin que leur soient proposées des solutions technologiques adaptées et utilisables.La partie appliquée illustre deux dimensions majeures de l'activité de conduite d'un camion : la productivité, au travers de la problématique de l'assistance à l'éco-conduite (projet Conduite Economique Assistée, ADEME- RENAULT TRUCKS) ; la sécurité, au travers de la problématique de l'assistance à la détection et à la protection des usagers vulnérables de la route (projet VIVRE2, ANR-PREDIT05-LUTB).D’un point de vue scientifique, la thèse aboutit à la proposition d’un modèle du fonctionnement humain dans les activités finalisées, complété par un modèle adapté à l’activité de conduite d’un véhicule industriel. Les analyses effectuées en situations réelles enrichissent les connaissances, d’une part, sur les stratégies de conduite appliquées à la conduite rationnelle d’un poids lourd en environnement extra-urbain, et, d’autre part, sur les composantes de l’activité des conducteurs qui effectuent des livraisons en milieu urbain. De plus, les travaux effectués dans le cadre du projet VIVRE2 ont permis de préciser les représentations et les comportements à risque des usagers vulnérables vis-à-vis des camions en ville.D’un point de vue applicatif et ergonomique, les travaux sur simulateur dynamique de conduite ont permis l’évaluation d’une interface homme-machine innovante qui pourrait être adaptée à l’éco-conduite, ainsi que la proposition et l’évaluation de systèmes d’assistance pour garantir la sécurité des usagers vulnérables lors des manœuvres à basse vitesse en milieu urbain. / Driving a truck is a complex professional activity that takes place in a dynamic and constant changing environment. It needs a specific learning and it is set in a strict regulated framework including French labour code (Code du travail) as road regulation. Strong spatio-temporal pressure should be added to those characteristics. These constraints entail to drivers the use of operative strategies to achieve the main objective of their activity: respect of delivery time in optimal conditions of safety, security and productivity.This thesis deals with the contribution of cognitive psychology to the design of driving assistance systems for trucks. Works are intended to integrate, from the design of new systems, the demands of human cognitive functioning in real situation and the needs and expectations of drivers so that adapted and usable technological solutions could be proposed to them.Applied part shows two major dimensions of truck driving activity: productivity through the issue of the eco-driving assistance (“Conduite Economique Assistée, ADEME- RENAULT TRUCKS” project) and safety through the issue of the assistance to detection and protection of vulnerable road users (“VIVRE2, ANR-PREDIT05-LUTB” project).From a scientific point of view, the thesis ends with a proposal of a model of human functioning in finalized activities, of which is added an adapted model of the truck driving activity. The analysis performed in real environment enhance knowledge, on the one hand, on the applied driving strategies to the eco-driving of a truck in extra-urban environment and, on the other hand, on the components of the activity of drivers doing deliveries in urban environment. Moreover, works performed in VIVRE2 project allowed to specify representations and risky behaviours of vulnerable users with relation to trucks in town.From an applicative and ergonomic point of view, works on driving dynamic simulator allowed the evaluation of an innovative man-machine interface which could be adapted to eco-driving and the proposal as well as the evaluation of assistance systems to guarantee safety of vulnerable users during low speed manoeuvres in urban environment.

Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist die Senkung der von Menschen hervorgerufenen CO2-Emissionen in den letzten Jahren zu einem der weltweit zentralen Themenfelder geworden. In diesem Kontext werden Elektrofahrzeuge als ein vielversprechender Lösungsansatz zur Verringerung der CO2-Emissionen im Transportsektor diskutiert und ihr Einsatz im Straßenverkehr im Rahmen zahlreicher nationaler Initiativen vorangetrieben. Elektrofahrzeuge weisen eine Reihe von Spezifika gegenüber konventionellen Fahrzeugen auf, aus denen verschiedene Herausforderungen für den Fahrer entstehen. Eine in diesem Zusammenhang zentrale Eigenschaft ist die vor dem Hintergrund von vergleichsweise langen Ladedauern und einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Lademöglichkeiten begrenzte Reichweite. Zudem wird mit der Elektrifizierung des Verkehrs auch das im Fahrkontext bisher ungewohnte Konzept der Elektrizität mit seinen elektrischen Einheiten wie Watt und Ampere eingeführt. Zusätzlich steht mit der Rekuperationsfunktion ein neues System zur Verfügung, das dem Fahrer eine aktive Energierückgewinnung während Verzögerungsvorgängen ermöglicht. Die Aufgabe der Verkehrspsychologie ist es dabei, die aus diesen spezifischen Eigenschaften und neuen Systemen entstehenden Bedürfnisse und Anforderungen der Fahrer im Zusammenspiel mit dem Fahrzeug und der Fahrumgebung in den Mittelpunkt zu stellen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können entsprechende Empfehlungen und Maßnahmen abgeleitet werden, die der Verbreitung sowie der sicheren und effizienten Nutzung dieser Technologie dienlich sind. In diesem Sinne leistet auch die vorliegende Arbeit einen Beitrag, indem vor dem Hintergrund der spezifischen Eigenschaften und neuen Systeme von Elektrofahrzeugen Implikationen für die Nutzerschnittstelle, die veränderte Fahraufgabe sowie motivationale Aspekte abgeleitet werden. Dies geschieht vor allem im Hinblick auf die Energieeffizienz, die im Elektrofahrzeug einen besonderen Stellenwert besitzt. Das erste Forschungsziel der Dissertation bestand in der nutzerzentrierten Untersuchung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug sowohl generell vor dem Hintergrund der besonderen Merkmale dieses neuen Transportmittels als auch spezifisch basierend auf der Interaktion der Fahrer mit der begrenzten Reichweite dieser Fahrzeuge. Aus den Ergebnissen wurden konkrete Informationsbedarfe der Nutzer jenseits eines gewissen Informationsstandards deutlich, die in einem Anforderungskatalog zusammengefasst wurden, dessen Inhalte vor allem die Bedeutsamkeit der energieeffizienten Interaktion mit dem Elektrofahrzeug unterstreichen. Zudem zeigten sich Probleme der Nutzer hinsichtlich der Verständlichkeit des Konzepts von Elektrizität im Fahrkontext, besonders im Hinblick auf elektrische Einheiten, die eine Darstellung des Energieverbrauchs in der vertrauten und handlungsrelevanten Einheit Kilometer nahelegen. Ausgehend von den Ergebnissen der Evaluation der Anzeigen durch die Nutzer wurden diejenigen Prinzipien der Schnittstellengestaltung (Wickens, Lee, Liu, & Gordon-Becker, 2004) identifiziert, die im Kontext von Elektrofahrzeugen besondere Relevanz besitzen. Eine transparente und zuverlässige Darstellung der Wirkfaktoren auf den Energieverbrauch sowie konkreter Handlungsmöglichkeiten des Fahrers zur Senkung des Energieverbrauchs kann helfen, Nutzer in ihrem Anpassungsprozess an das elektrische Fahren zu unterstützen und Unsicherheitsgefühle in der Interaktion mit der begrenzten Reichweite zu reduzieren. Die Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren und assoziierter Lern- und Transferprozesse beim Fahren eines Elektrofahrzeugs waren Gegenstand des zweiten Forschungsziels. Aufeinander aufbauende Untersuchungen zeigten, dass unerfahrene Elektrofahrzeugnutzer ihr Wissen über energieeffiziente Fahrstrategien beim Wechsel vom Verbrenner- zum Elektrofahrzeug anpassen und dieses Wissen mit zunehmender Elektrofahrzeugerfahrung weiter zunimmt. Sowohl unerfahrene als auch erfahrene Elektrofahrzeugnutzer waren in der Lage, durch die Anwendung effektiver Verhaltensstrategien, wie etwa einer moderaten Beschleunigung und einer effizienten Nutzung der Rekuperationsfunktion, den Energieverbrauch des Elektrofahrzeugs zu senken. Dies weist auf die Übertragung von Fertigkeiten im Umgang mit dem Verbrenner- auf das Elektrofahrzeug im Sinne eines positiven Transfers (Fitts & Posner, 1967) hin. Die Wirksamkeit einer wissensbasierten Intervention blieb auf einen positiven Effekt hinsichtlich des Wissens über energieeffiziente Strategien sowie positivere Einschätzungen der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren beschränkt. Um die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren auch hinsichtlich einer verbesserten Umsetzung energiesparender Verhaltensstrategien und einer daraus resultierenden besseren Perfomanz, also einem niedrigeren Energieverbrauch, zu unterstützen, kann die zusätzliche Implementierung von fertigkeitsbasierten, praktischen Komponenten hilfreich sein. Neben der Kompetenz eines Fahrers, energieeffizient zu fahren, sind für das tatsächliche Fahrverhalten vor allem auch motivationale Faktoren relevant (Hatakka, Keskinen, Gregersen, Glad, & Hernetkoski, 2002; Rothengatter, 1997; Summala, 2007). Diese motivationalen Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug wurden im Rahmen des dritten Forschungsziels näher beleuchtet. Dabei unterstreichen die gefundenen mittleren bis starken Zusammenhänge zwischen den untersuchten rationalen (Ajzen, 1991) und hedonischen, also spaßbetonten, Motiven und dem beobachteten Fahrerverhalten die Bedeutung der motivationalen Komponente im Kontext energieeffizienten Fahrens. Zudem implizieren die Ergebnisse eine teilweise höhere Motivation zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektro- im Vergleich zum Verbrennerfahrzeug; ein Potenzial, das möglichst voll ausgeschöpft werden sollte. Neben wichtigen rationalen Motivatoren kann hier vor allem das hedonische Motiv, also die Betonung von Spaß und Freude, beispielsweise bei der Gestaltung von Nutzerschnittstellen genutzt werden, um energieeffizientes Fahren nicht nur als zweckdienlich hinsichtlich der potenziellen Verlängerung der Reichweite, sondern auch als für den Nutzer positiv erlebbar zu machen. Die Ergebnisse der Dissertation verdeutlichen aus verkehrspsychologischer Sicht eine zentrale Bedeutung der Monitoringebene der Fahraufgabe (Hollnagel & Woods, 2005) im Elektrofahrzeug, also eine hohe Relevanz des Abgleichs von Informationen aus der Umwelt mit dem aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs. Hier kommt der Gestaltung der Nutzerschnittstelle als einem zentralen Stellglied zur Vermittlung situationsspezifischer, transparenter sowie handlungsrelevanter Informationen für den Fahrer eine besondere Bedeutung zu. Zusammenfassend unterstreichen die Befunde der Dissertation die zentrale Bedeutung einer energieeffizienten Interaktion mit dem Elektrofahrzeug. Unter diesem Fokus weisen die Ergebnisse konkrete Möglichkeiten auf, wie der Fahrer durch eine geeignete Gestaltung der Nutzerschnittstelle beim energieeffizienten Fahren unterstützt und die Verständlichkeit der Darstellung von Informationen zum Energieverbrauch erhöht werden kann. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass Anpassungsprozesse hinsichtlich der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren notwendig sind und wie sich diese zu Beginn der Elektrofahrzeugnutzung sowie mit zunehmender Elektrofahrzeugerfahrung entwickeln. Gleichzeitig weisen die Untersuchungen zur motivationalen Komponente energieeffizienten Fahrens auf ein erhöhtes Potenzial von Elektrofahrzeugen hin und betonen sowohl rationale und hedonische Motive als wichtige Faktoren im Zusammenhang mit energieeffizientem Fahren, die zugleich auch vielversprechende Ansatzpunkte für eine weitere Steigerung der Nachhaltigkeit dieser „grünen“ Technologie darstellen.:I Synopse 1 1 Einleitung 3 2 Die Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 7 2.1 Spezifika von Elektrofahrzeugen und ihre Bedeutung für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle 7 2.2 Designprinzipien für die Gestaltung von Nutzerschnittstellen 9 2.3 Nutzerzentriertes Design 10 3 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug als Fahrerkompetenz 11 3.1 Energieeffizientes Fahren – Definition und theoretische Überlegungen 11 3.2 Die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren – Einordnung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 12 3.3 Besondere Eigenschaften von Elektrofahrzeugen und ihre Relevanz für energieeffizientes Fahren 15 3.4 Die Wirksamkeit von Interventionen zur Steigerung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren 16 4 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug - die motivationale Komponente 18 4.1 Motivationale Faktoren des Fahrerverhaltens 18 4.2 Motivationale Faktoren und ihre Eingliederung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 18 5 Forschungsziele der Dissertation 21 5.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 21 5.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektrofahrzeug 22 5.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 23 6 Überblick über die Methodik der Dissertation 24 6.1 Der MINI E-Feldversuch 24 6.2 Studie im Realverkehr im Rahmen des Projekts EVERSAFE 25 7 Diskussion und kritische Reflexion der Ergebnisse 26 7.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 28 7.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 31 7.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 36 8 Implikationen und Schlussfolgerungen 37 8.1 Implikationen für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 37 8.2 Implikationen für die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 38 8.3 Implikationen für die motivationale Komponente energieeffizienten Fahrens 39 9 Literatur 41 II Artikel 1: Battery Electric Vehicles – Implications for the Driver Interface 53 III Artikel 2: Eco-Driving Strategies in Battery Electric Vehicle Use – How Do Drivers Adapt over Time? 85 IV Artikel 3: Experiencing Range in an Electric Vehicle – Understanding Psychological Barriers 109 V Artikel 4: BEV Eco-Driving – Competence, Motivational Aspects, and the Effectiveness of Eco-Instructions 137 VI Lebenslauf 179 VII Publikationen 181 / Against the background of climate change, the reduction of human-induced CO2 emissions has become one of the key issues world-wide during the last years. In this context, battery electric vehicles are discussed as a promising solution for the reduction of CO2 emissions in the transportation sector and their use in road traffic is expedited through numerous national initiatives. Battery electric vehicles exhibit a number of specific features compared to conventional vehicles which pose new challenges to the driver. In this connection, the most specific feature of battery electric vehicles is the limited range, which is specifically important given the limited availability of charging stations and currently long charging durations. Moreover, with the electrification of transportation the concept of electricity with its unfamiliar units like Watt and Ampere is introduced in the driving context. Additionally, the regenerative braking system offers the possibility to actively regain energy during deceleration manoeuvers. One task of traffic psychology is to focus on and investigate the drivers’ needs and requirements related to these specific features and the interaction with the vehicle and the environment. Based on the acquired knowledge, recommendations and measures can be derived, which could facilitate the adoption of battery electric vehicles as well as the efficient and safe usage of this technology. In that sense the contribution of the present dissertation is to derive implications for the design of the user interface, the changed driving task, and regarding motivational aspects based on the specific features and new systems incorporated in battery electric vehicles. These issues are specifically considered in the light of energy efficiency which is of particular importance in the context of battery electric vehicles. The first research objective of the present dissertation was the user-centred evaluation of a driver interface generally against the background of the specific characteristics of battery electric vehicles as well as specifically based on drivers‘ interaction with the limited range. Based on the results, users’ needs for additional information became apparent, which were compiled in a taxonomy of user requirements and further highlight the relevance of energy-efficient interaction with battery electric vehicles. Furthermore, the results revealed difficulties for users’ in comprehending the concept of electricity in the driving context, specifically regarding electric units of measurement. Hence a presentation of energy consumption using the familiar unit kilometres, which has also practical relevance for the driving task, is recommended. Based on the evaluation results of the displayed information, design principles (Wickens, Lee, Liu, & Gordon-Becker, 2004) which are specifically important in the context of battery electric vehicles are derived. A transparent and trustworthy presentation of influencing factors on energy efficiency as well as drivers’ concrete opportunities for actions may support users in the adaptation process initiated when starting to use an electric vehicle and reduce feelings of uncertainty when interacting with the limited range. The eco-driving competence and associated processes of learning and transfer when driving a battery electric vehicle were examined within the scope of the second research objective. Investigations revealed an adaptation of eco-driving knowledge when starting to use a battery electric vehicle instead of a conventional vehicle. Additionally, the eco-driving knowledge increased with battery electric vehicle use. Both inexperienced and experienced battery electric vehicle drivers were able to reduce the energy consumption of the battery electric vehicle by applying effective eco-driving strategies, such as accelerating moderately or using regenerative braking for deceleration manoeuvers. That implies the transfer of drivers’ eco-driving skills from conventional to battery electric vehicles in terms of a positive transfer (Fitts & Posner, 1967). The effectiveness of an implemented knowledge-based intervention to enhance the eco-driving competence of inexperienced battery electric vehicle users was limited to an increase in drivers’ eco-driving knowledge and more positive subjective assessments of their eco-driving competence. In order to enhance users’ eco-driving competence also regarding eco-driving behaviour and performance (i.e. reduced energy consumption) the implementation of supplemental skill-based components might be effective. Beside a driver’s eco-driving competence, motivational aspects are important determinants of driving behaviour (Hatakka, Keskinen, Gregersen, Glad, & Hernetkoski, 2002; Rothengatter, 1997; Summala, 2007). The third research objective aimed to shed light on motivational aspects of battery electric vehicle eco-driving. In this regard the obtained medium-sized to strong correlations between rational (Ajzen, 1991) and hedonic (i.e. fun-oriented) motives and normal driving behaviour underline the relevance of motivational components in the context of eco-driving. Moreover, results indicate a to some extent higher motivation to drive efficiently with battery electric compared to conventional vehicles – a potential which should be fully exploited. Beside important rational motivators, hedonic values – i.e. feelings of pleasure or joy – could be used to experience eco-driving positively in terms of enjoying to efficiently interact with battery electric vehicles rather than merely prolonging the vehicle‘s range. From the perspective of traffic psychology the results of the dissertation emphasise the relevance of the monitoring layer of the driving task (Hollnagel & Woods, 2005) in battery electric vehicle use, which is characterised by a permanent comparison of the environment and the vehicle state. In this connection the design of the user interface is of specific relevance in terms of providing transparent, situation-specific, and action-oriented information to the driver. In sum, findings of the dissertation highlight the specific relevance of an energy-efficient interaction with battery electric vehicles. Focussing on this issue, results show concete possibilities to design the user interface of battery electric vehicles in a way to support the driver in eco-driving and to improve the comprehensibility of associated energy consumption information. Moreover, results reveal that adapation processes in terms of eco driving competence from internal combustine engine vehicles to battery electric vehicles occur and shed light on the deveopment of eco-driving competence with battery electric vehicle experience. Additionally, investigations concerning motivational aspects of eco-driving imply an increased potential of battery electric compared to conventional vehicles. Both rational and hedonic motives are important factors that are linked to battery electric vehicle eco-driving, which supplementary represent promising possibilities to further enhance the sustainability of this inherently „green“ technology.:I Synopse 1 1 Einleitung 3 2 Die Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 7 2.1 Spezifika von Elektrofahrzeugen und ihre Bedeutung für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle 7 2.2 Designprinzipien für die Gestaltung von Nutzerschnittstellen 9 2.3 Nutzerzentriertes Design 10 3 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug als Fahrerkompetenz 11 3.1 Energieeffizientes Fahren – Definition und theoretische Überlegungen 11 3.2 Die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren – Einordnung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 12 3.3 Besondere Eigenschaften von Elektrofahrzeugen und ihre Relevanz für energieeffizientes Fahren 15 3.4 Die Wirksamkeit von Interventionen zur Steigerung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren 16 4 Energieeffizientes Fahren im Elektrofahrzeug - die motivationale Komponente 18 4.1 Motivationale Faktoren des Fahrerverhaltens 18 4.2 Motivationale Faktoren und ihre Eingliederung in psychologische Modelle des Fahrerverhaltens 18 5 Forschungsziele der Dissertation 21 5.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 21 5.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren mit dem Elektrofahrzeug 22 5.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 23 6 Überblick über die Methodik der Dissertation 24 6.1 Der MINI E-Feldversuch 24 6.2 Studie im Realverkehr im Rahmen des Projekts EVERSAFE 25 7 Diskussion und kritische Reflexion der Ergebnisse 26 7.1 Forschungsziel 1: Evaluation der Nutzerschnittstelle vor dem Hintergrund spezifischer Eigenschaften von Elektrofahrzeugen 28 7.2 Forschungsziel 2: Untersuchung der Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 31 7.3 Forschungsziel 3: Untersuchung motivationaler Aspekte energieeffizienten Fahrens mit dem Elektrofahrzeug 36 8 Implikationen und Schlussfolgerungen 37 8.1 Implikationen für die Gestaltung der Nutzerschnittstelle im Elektrofahrzeug 37 8.2 Implikationen für die Kompetenz zum energieeffizienten Fahren bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen 38 8.3 Implikationen für die motivationale Komponente energieeffizienten Fahrens 39 9 Literatur 41 II Artikel 1: Battery Electric Vehicles – Implications for the Driver Interface 53 III Artikel 2: Eco-Driving Strategies in Battery Electric Vehicle Use – How Do Drivers Adapt over Time? 85 IV Artikel 3: Experiencing Range in an Electric Vehicle – Understanding Psychological Barriers 109 V Artikel 4: BEV Eco-Driving – Competence, Motivational Aspects, and the Effectiveness of Eco-Instructions 137 VI Lebenslauf 179 VII Publikationen 181

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[ES] La necesidad de mejorar el consumo de combustible y las emisiones de los sistemas propulsivos de automoción en condiciones reales de conducción es la base de esta tesis. Para ello, se exploran dos ejes: En primer lugar, el control de los sistemas de propulsión. El estado del arte de control en los sistemas propulsivos de automoción se basa en gran medida en el uso de técnicas de optimización que buscan las leyes de control que minimizan una función de coste en un conjunto de condiciones de operación denidas a priori. Estas leyes se almacenan en las ECUs de producción en forma de mapas de calibración de los diferentes actuadores del motor. Las incertidumbres asociadas al conjunto limitado de condiciones en el proceso de calibración dan lugar a un funcionamiento subóptimo del sistema de propulsión en condiciones de conducción real. Por lo tanto, en este trabajo se proponen métodos de control adaptativo que optimicen la gestión de la planta propulsiva a las condiciones esperadas de funcionamiento para un usuario y un caso determinado en lugar de a un conjunto genérico de condiciones. El segundo eje se reere a optimizar, en lugar de los parámetros de control del sistema propulsivo, la demanda de potencia de este, introduciendo al propio conductor en el bucle de control, sugiriéndole las acciones a tomar. En particular, este segundo eje se reere al control de la velocidad del vehículo (conocido popularmente como Eco-Driving en la literatura) en condiciones reales de conducción. Se proponen sistemas de aviso en tiempo real al conductor acerca de la velocidad óptima para minimizar el consumo del vehículo. Los métodos de control desarrollados para cada aplicación se describen en detalle en la tesis y se muestran ensayos experimentales de validación en los casos de estudio diseñados. Ambos ejes representan un problema de control óptimo, denido por un sistema dinámico, unas restricciones a cumplir y un coste a minimizar, en este sentido las herramientas desarrolladas en la tesis son comunes a los dos ejes: Un modelo de vehículo, una herramienta de predicción del ciclo de conducción y métodos de control óptimo (Programación Dinámica, Principio Mínimo de Pontryagin y Estrategia de Consumo Equivalente Mínimo). Dependiendo de la aplicación, los métodos desarrollados se implementaron en varios entornos experimentales: un motor térmico en sala de ensayos simulando el resto del vehículo, incluyendo el resto del sistema de propulsión híbrido y en un vehículo real. Los resultados muestran mejoras signicativas en el rendimiento del sistema de propulsión en términos de ahorro de combustible y emisiones en comparación con los métodos empleados en el estado del arte actual. / [CA] La necessitat de millorar el consum de combustible i les emissions dels sistemes propulsius d'automoció en condicions reals de conducció és la base d'aquesta tesi. Per a això, s'exploren dos eixos: En primer lloc, el control dels sistemes de propulsió. L'estat de l'art de control en els sistemes propulsius d'automoció es basa en gran manera en l'ús de tècniques d'optimització que busquen les lleis de control que minimitzen una funció de cost en un conjunt de condicions d'operació denides a priori. Aquestes lleis s'emmagatzemen en les Ecus de producció en forma de mapes de calibratge dels diferents actuadors del motor. Les incerteses associades al conjunt limitat de condicions en el procés de calibratge donen lloc a un funcionament subòptim del sistema de propulsió en condicions de conducció real. Per tant, en aquest treball es proposen mètodes de control adaptatiu que optimitzen la gestió de la planta propulsiva a les condicions esperades de funcionament per a un usuari i un cas determinat en lloc d'un conjunt genèric de condicions. El segon eix es refereix a optimitzar, en lloc dels paràmetres de control del sistema propulsiu, la demanda de potència d'aquest, introduint al propi conductor en el bucle de control, suggerint-li les accions a prendre. En particular, aquest segon eix es refereix al control de la velocitat del vehicle (conegut popularment com Eco-*Driving en la literatura) en condicions reals de conducció. Es proposen sistemes d'avís en temps real al conductor sobre la velocitat òptima per a minimitzar el consum del vehicle. Els mètodes de control desenvolupats per a cada aplicació es descriuen detalladament en la tesi i es mostren assajos experimentals de validació en els casos d'estudi dissenyats. Tots dos eixos representen un problema de control òptim, denit per un sistema dinàmic, unes restriccions a complir i un cost a minimitzar, en aquest sentit les eines desenvolupades en la tesi són comunes als dos eixos: Un model de vehicle, una eina de predicció del cicle de conducció i mètodes de control òptim (Programació Dinàmica, Principi Mínim de *Pontryagin i Estratègia de Consum Equivalent Mínim). Depenent de l'aplicació, els mètodes desenvolupats es van implementar en diversos entorns experimentals: un motor tèrmic en sala d'assajos simulant la resta del vehicle, incloent la resta del sistema de propulsió híbrid i en un vehicle real. Els resultats mostren millores signicatives en el rendiment del sistema de propulsió en termes d'estalvi de combustible i emissions en comparació amb els mètodes emprats en l'estat de l'art actual. / [EN] The need of improving the real-world fuel consumption and emission of automotive applications is the basis of this thesis. To this end, two verticals are explored: First is the online control of the powertrain systems. In state-of-the-art Optimal Control techniques (such as Dyanmic Programming, Pontryagins Minimum Principle, etc...) are extensively used to formulate the optimal control laws. These laws are stored in the production ECUs in the form of feedforward calibration maps. The unaccounted uncertainities related to the real-world during the powertrain calibration result in suboptimal operations of the powertrain in actual driving. Therefore, adaptive control methods are proposed in this work which, optimise the energy management of the conventional and the HEV powertrain control on real driving mission. The second vertical is regarding the vehicle speed control (popularly known as Eco-Driving in the literature) methods in real driving condition. In particular, speed advisory systems are proposed for real time application on a vehicle. The control methods developed for each application are described in details with their verication and validation on the designed case studies. Apart from the developed control methods, there are three tools that were developed and used at various stages of this thesis: A vehicle model, A driving cycle prediction tool and optimal control methods (dynamic programming, PMP and ECMS). Depending on the application, the developed methods were implemented on the Hardware-In-Loop Internal Combustion Engine testing setup or on a real vehicle. The results show signicant improvements in the performance of the powertrain in terms of fuel economy and emissions in comparison to the state-of-the-art methods. / Pandey, V. (2021). Online Control of Automotive systems for improved Real-World Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/173716