Univ., Diss.--Kiel, 1998. / Literaturverz. S. 130 - 140.

Introduction Combined thermal and fluid modeling is useful for design and optimization of cyclotron water targets. Previous heat transfer models assumed either a distribution of void under saturation conditions [1] or a static volumetric heat distribution [2]. This work explores the coupling of Monte Carlo radiation transport and Computation Fluid Dynamics (CFD) software in a computational model of the BTI Targetry visualization target [3]. In a batch water target, as the target medium is heated by energy deposition from the proton beam, a non-uniform density distribution develops. Production target operation is ultimately limited by the range thickness of the target un-der conditions of reduced water density. Since proton range is a function of target density, the system model must include the corresponding change in the volumetric heat distribution. As an initial attempt to couple the radiation transport and fluid dynamics calculations, the scope of this work was limited to subcooled target conditions. With the increasing availability of multi-phase CFD capabilities, this work provides the basis for extending these calculations to boiling targets where the coupling of the radiation transport and fluid dynamics is expected to be much stronger. Material and Methods The Monte Carlo radiation transport code MCNPX was used to create energy deposition data tallies from proton interaction with the target water and beam window. The beam was modeled as a Gaussian distribution with 50% transmission through a 10 mm diameter collimator. The energy deposition tally was translated into a 3-dimensional, point-wise heat generation table and supplied as an input to the CFD code ANSYS CFX. An iterative method was developed to couple the volumetric heat distribution from MCNPX to the fluid density distribution computed within ANSYS CFX. A 3-dimensional table of water density was exported from ANSYS CFX and imported into MCNPX. MCNPX was then used to calculate the heat generation rate (due to proton interactions) based on the assumed density profile. Applying the new heat generation profile to the ANSYS CFX model resulted in changes to the beam shape and penetration depth. The iterative scheme continued until converged values for density and heat generation rate were achieved. Monte Carlo methods are computationally ex-pensive due to the large number of particle histories needed to generate accurate results. CFD simulations are also computationally expensive due to the large number of mesh elements needed. Optimization methods were used for both MCNPX and ANSYS CFX to result in achievable solution times and memory requirements. Local mesh refinement in the beam strike area was necessary for convergence. This was achieved by extending the boundary layer of the mesh within the target water domain deeper into the fluid. This allowed for better resolution within the beam strike area without significantly increasing the expense in the remainder of the fluid domain. Additionally, direct simulation of the cooling water domain was decoupled from the computational model during the iterative process. Heat transfer coefficients from the first iteration were applied as a boundary condition for subsequent iterations. Once the beam and density distributions reached convergence, the beam data was applied to a high fidelity “full” model, which included the cooling water domain as well as increased particle histories in MCNPX. Results and Conclusions The target was initially modeled assuming a 10 μA beam of 18 MeV protons into uniform density target water with operating pressure of 400 psi. These conditions resulted in predicted maximum temperatures below the saturation temperature. The final converged beam data was compared to the original (uniform density) beam data. As expected, the density-dependent beam penetrates farther into the target water than when a uniform density is assumed. The density-dependent beam has a broader Bragg peak region with a lower maximum heat generation rate than the original beam. A line plot of the volumetric heat generation rate through the center of the beam is shown in FIG. 2. Even though the maximum volumetric heat generation rate was lower, the density-dependent beam resulted in a higher maximum fluid temperature. Experiments were performed with the visualization target on an IBA 18/9 cyclotron, and video was recorded for a range of target operating conditions. Analysis of the video recordings from the experiment gives a peak fluid velocity in the target chamber of roughly 5–10 centimeters per second with a 10 A beam current. The velocities predicted by the CFD model are within the same range. There is also good agreement be-tween proton beam range between the experiment and model. The effective proton range can be seen in FIGURES 3 and 4. Future work will include applying the coupling technique for two-phase boiling conditions and to gas targets. If successful, this method should be a powerful tool for design and optimization of liquid and gas targets.

Introduction Combined thermal and fluid modeling is useful for design and optimization of cyclotron water targets. Previous heat transfer models assumed either a distribution of void under saturation conditions [1] or a static volumetric heat distribution [2]. This work explores the coupling of Monte Carlo radiation transport and Computation Fluid Dynamics (CFD) software in a computational model of the BTI Targetry visualization target [3]. In a batch water target, as the target medium is heated by energy deposition from the proton beam, a non-uniform density distribution develops. Production target operation is ultimately limited by the range thickness of the target un-der conditions of reduced water density. Since proton range is a function of target density, the system model must include the corresponding change in the volumetric heat distribution. As an initial attempt to couple the radiation transport and fluid dynamics calculations, the scope of this work was limited to subcooled target conditions. With the increasing availability of multi-phase CFD capabilities, this work provides the basis for extending these calculations to boiling targets where the coupling of the radiation transport and fluid dynamics is expected to be much stronger. Material and Methods The Monte Carlo radiation transport code MCNPX was used to create energy deposition data tallies from proton interaction with the target water and beam window. The beam was modeled as a Gaussian distribution with 50% transmission through a 10 mm diameter collimator. The energy deposition tally was translated into a 3-dimensional, point-wise heat generation table and supplied as an input to the CFD code ANSYS CFX. An iterative method was developed to couple the volumetric heat distribution from MCNPX to the fluid density distribution computed within ANSYS CFX. A 3-dimensional table of water density was exported from ANSYS CFX and imported into MCNPX. MCNPX was then used to calculate the heat generation rate (due to proton interactions) based on the assumed density profile. Applying the new heat generation profile to the ANSYS CFX model resulted in changes to the beam shape and penetration depth. The iterative scheme continued until converged values for density and heat generation rate were achieved. Monte Carlo methods are computationally ex-pensive due to the large number of particle histories needed to generate accurate results. CFD simulations are also computationally expensive due to the large number of mesh elements needed. Optimization methods were used for both MCNPX and ANSYS CFX to result in achievable solution times and memory requirements. Local mesh refinement in the beam strike area was necessary for convergence. This was achieved by extending the boundary layer of the mesh within the target water domain deeper into the fluid. This allowed for better resolution within the beam strike area without significantly increasing the expense in the remainder of the fluid domain. Additionally, direct simulation of the cooling water domain was decoupled from the computational model during the iterative process. Heat transfer coefficients from the first iteration were applied as a boundary condition for subsequent iterations. Once the beam and density distributions reached convergence, the beam data was applied to a high fidelity “full” model, which included the cooling water domain as well as increased particle histories in MCNPX. Results and Conclusions The target was initially modeled assuming a 10 μA beam of 18 MeV protons into uniform density target water with operating pressure of 400 psi. These conditions resulted in predicted maximum temperatures below the saturation temperature. The final converged beam data was compared to the original (uniform density) beam data. As expected, the density-dependent beam penetrates farther into the target water than when a uniform density is assumed. The density-dependent beam has a broader Bragg peak region with a lower maximum heat generation rate than the original beam. A line plot of the volumetric heat generation rate through the center of the beam is shown in FIG. 2. Even though the maximum volumetric heat generation rate was lower, the density-dependent beam resulted in a higher maximum fluid temperature. Experiments were performed with the visualization target on an IBA 18/9 cyclotron, and video was recorded for a range of target operating conditions. Analysis of the video recordings from the experiment gives a peak fluid velocity in the target chamber of roughly 5–10 centimeters per second with a 10 A beam current. The velocities predicted by the CFD model are within the same range. There is also good agreement be-tween proton beam range between the experiment and model. The effective proton range can be seen in FIGURES 3 and 4. Future work will include applying the coupling technique for two-phase boiling conditions and to gas targets. If successful, this method should be a powerful tool for design and optimization of liquid and gas targets.

Im Zuge der immer größer werdenden Knappheit fossiler Ressourcen und des damit verbundenen Anstiegs des Rohölpreises ergibt sich ein Trend hin zur Elektromobilität. In den nächsten Jahren werden jedoch nur Elektrofahrzeuge mit deutlich eingeschränkter maximaler Reichweite im Vergleich zu Benzin- oder Dieselfahrzeugen produziert werden können. Um den täglichen Umgang des Kunden mit einem Elektrofahrzeug trotzdem möglichst reibungslos zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Anzeige der verbleibenden Reichweite auf der Navigationskarte entwickelt. Nach detaillierter Analyse vorhandener Ansätze wurde je ein empirisches und ein modellbasiertes Verfahren ausgearbeitet. Die Ansätze wurden systematisch verglichen und zu einem komplett neuartigen, hybriden Ansatz kombiniert. Die auftretenden Verbräuche des Fahrzeugs werden im Kundenbetrieb erfasst, je nach Fahrsituation klassifiziert und für eine Extrapolation in der Zukunft verwendet. Die entwickelte Methodik zur Untersuchung der erreichbaren Genauigkeit ergab ein erzielbares Fehlermaß von durchschnittlich unter 10%. / Due to the prospect of a worldwide shortage of fossil fuels and the correlated increase of prices for crude-oil, a global trend to invest in electric mobility has started. During the next couple of years, electric vehicles will still have restrictions on the maximum distance that can be driven before having the need to recharge the battery. The potential costumers face the so-called „range-anxiety“, the fear to be stranded prior to reaching the destination. In order to provide a safe and easy way of operating such a vehicle, the work conducted in the course of this doctoral thesis led to a new way of displaying the remaining range of the vehicle on a navigation map. After detailed analysis of the state of the art, an empirical- and a model-based solution for calculating the remaining range were developed utilizing predictive map-data from a roadnetwork. After a systematical optimization of the developed solutions, an embedded prototype was developed which captured the driving situation of the vehicle together with the corresponding energy-consumption in order to provide a context-aware interpolation of the remaining range, depending on where the costumer would drive next. A developed methodology of objectively determining the error produced by the system resulted in a mean-deviation of 10% of absolute value.

Im Zuge der immer größer werdenden Knappheit fossiler Ressourcen und des damit verbundenen Anstiegs des Rohölpreises ergibt sich ein Trend hin zur Elektromobilität. In den nächsten Jahren werden jedoch nur Elektrofahrzeuge mit deutlich eingeschränkter maximaler Reichweite im Vergleich zu Benzin- oder Dieselfahrzeugen produziert werden können. Um den täglichen Umgang des Kunden mit einem Elektrofahrzeug trotzdem möglichst reibungslos zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Anzeige der verbleibenden Reichweite auf der Navigationskarte entwickelt. Nach detaillierter Analyse vorhandener Ansätze wurde je ein empirisches und ein modellbasiertes Verfahren ausgearbeitet. Die Ansätze wurden systematisch verglichen und zu einem komplett neuartigen, hybriden Ansatz kombiniert. Die auftretenden Verbräuche des Fahrzeugs werden im Kundenbetrieb erfasst, je nach Fahrsituation klassifiziert und für eine Extrapolation in der Zukunft verwendet. Die entwickelte Methodik zur Untersuchung der erreichbaren Genauigkeit ergab ein erzielbares Fehlermaß von durchschnittlich unter 10%. / Due to the prospect of a worldwide shortage of fossil fuels and the correlated increase of prices for crude-oil, a global trend to invest in electric mobility has started. During the next couple of years, electric vehicles will still have restrictions on the maximum distance that can be driven before having the need to recharge the battery. The potential costumers face the so-called „range-anxiety“, the fear to be stranded prior to reaching the destination. In order to provide a safe and easy way of operating such a vehicle, the work conducted in the course of this doctoral thesis led to a new way of displaying the remaining range of the vehicle on a navigation map. After detailed analysis of the state of the art, an empirical- and a model-based solution for calculating the remaining range were developed utilizing predictive map-data from a roadnetwork. After a systematical optimization of the developed solutions, an embedded prototype was developed which captured the driving situation of the vehicle together with the corresponding energy-consumption in order to provide a context-aware interpolation of the remaining range, depending on where the costumer would drive next. A developed methodology of objectively determining the error produced by the system resulted in a mean-deviation of 10% of absolute value.

Da John Locke wiederholt betont, dass seine Theorie von materiellen Körpern, vorgebracht im Essay concerning Human Understanding (1690), eine genuin philosophische Darstellung von Körpern sei, summiert sich das Thema seiner Ausführungen zu einer philosophischen Reflektion der sogenannten wissenschaftlichen Revolution im siebzehnten Jahrhundert auf. In dieser Arbeit werde ich eine Interpretationslinie entwickeln, welche zu bestimmen versucht, worin das genuin philosophische Anliegen von Lockes Analyse von Körpern besteht. Sie führt zu einer umfassenden Neubetrachtung von Lockes Ausführungen, da Unterschiede zu anderen Interpretationen gerade bei den zentralen Fragestellungen und der ihnen entsprechenden Begriffen bestehen, namentlich von: dem Substratum von Körpern, primären und sekundären Qualitäten, Ähnlichkeit, der Rolle der Korpuskulartheorie, Archetypen, realen und nominalen Essenzen, dem Argument zu Spezien und Klassifikation, die Bedeutung von Lockes Sprachanalyse, dem Wissensbegriff, dem Ideal wissenschaftlichem Verstehens und der Bestimmung der Reichweite zeitgenössischen Wissens. Es wird argumentiert, dass er bewusst zeitgenössisches Wissen von Körpern in der Perspektive eines idealen, wissenschaftlichen Verstehens von ihnen bestimmt und dass er so einen philosophischen Rahmen für die Naturwissenschaften entwirft, der: (1) spezifiziert, worin eine Wissenschaft von Körpern idealerweise besteht, (2) zeitgenössisches Wissen in dieser Perspektive bestimmt, (3) eine eigene Konzeption für eine zeitgenössische Wissenschaft beinhaltet, welche Mittel zur Verfügung stellt, dieses Wissen zu erweitern und (4) alternative Ideen von einer Wissenschaft von Körpern zurückweist. / Since John Locke repeatedly insists that his theory of bodies, endorsed in the Essay concerning Human Understanding (1690), is a genuinely philosophical assessment of bodies, the topic of his account adds up to a philosophical reflection on the so-called scientific revolution in the seventeenth century. In this work, I will develop a line of interpretation that undertakes to settle the issue what the genuinely philosophical issue of Locke's analysis of bodies consists in. This leads to a thorough re-examination of Locke's account, since the differences to other interpretations concern most prominent issues on bodies and, correspondingly, many of their crucial concepts: the substratum of bodies, primary and secondary qualities, resemblance, the role of corpuscularian theory, archetypes, real and nominal essences, the argument on species and classification, the significance of the analysis of language, the concept of knowledge, the ideal of scientific understanding, and the account of the scope of contemporary knowledge. As will be argued, Locke consciously assesses contemporary knowledge in the perspective of an ideal scientific grasp of bodies and thus unfolds a philosophical framework for natural science which: (1) specifies what a science of bodies ideally consists in, (2) assesses contemporary knowledge in this perspective, (3) advances an own conception of a contemporary science of bodies that proposes means to enhance contemporary knowledge, and (4) refutes alternative ideas of a science of bodies.

Aufgrund der generell steigenden politischen sowie auch gesellschaftlichen Anforderung nach Kohlenstoffdioxid (CO2) reduzierenden Maßnahmen wächst auch zunehmend der Druck auf die Automobilindustrie und damit einhergehend auf den Bereich der PKW-Klimatisierung. Bis dato ist bereits eine Vielzahl an Untersuchungen zu alternativen Kältemitteln sowie optimierte Komponenten für einen Betrieb der PKW-Klimatisierung durchgeführt worden. Ziel dieser Arbeit ist die Verringerung des Energieaufwands zur Fahrzeugklimatisierung durch eine entsprechende Wahl des Kältemittelverdichters (KMV) sowie eine Optimierung des Systems des Kältemittelkreislaufs durchzuführen. Des Weiteren wird neben den betrachteten Lastfällen bei hohen Außentemperaturen auch eine Effizienzsteigerungsmaßnahme des Lastfalls bei niedrigen Temperaturen untersucht. Hierzu werden detaillierte Prüfstanduntersuchungen zu den drei gängigsten Kältemittelverdichtern - mechanisch (mKMV), elektrisch Hochvolt (HV-eKMV) und elektrisch 48 V (48 V-eKMV) - durchgeführt. Im System mit dem effizientesten Kältemittelverdichter werden weiterhin Untersuchungen durch Systemprüfstände sowie Simulationen durchgeführt um Potenzial zur Energieersparnis auszuweisen. Im letzten Schritt werden die gewonnen Simulationsmodelle genutzt um das weitere Effizienzsteigerungspotenzial der PKW-Klimatisierung im Winterfall mittels Wärmepumpenschaltung auszuweisen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend für den Betrieb des untersuchten Systems zur Klimatisierung mittels statistischer europäischer Temperaturverteilung bewertet um die absolute Energieersparnis auszuweisen. / Due to the generally increasing political and social demand for carbon dioxide (CO2) reducing measures, the pressure on the automotive industry and the associated passenger car air conditioning is increasing. Up to now, a large number of studies on alternative refrigerants and optimized components for the passenger car climate control have already been investigated. The objective of this work is to reduce the required energy for vehicle air conditioning by means of a corresponding selection of the refrigerant compressor (KMV) and to optimize the system of the refrigerant circuit. In addition to the analyzed load cases at high outside temperatures, an efficiency improvement measure of the load case is also examined at low temperatures. For this purpose, detailed investigations on test benches of the three most common refrigerant compressors - mechanical (mKMV), electrical high voltage (HV-eKMV) and electrical 48 V (48 VeKMV) - are performed. In the system with the most efficient refrigerant compressor, investigations by system test benches and simulations in order to identify potentials for Energy savings are carried out. In the last step, the simulation models are used to show the further efficiency potential of the passenger air conditioning in the winter by means of a heat pump system. The findings obtained are evaluated for the operation of the system for climate control by means of statistical European temperature distribution to identify the total energy savings.

Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Frage über die Alltagstauglichkeit eines Elektroautos. Bekanntermaßen ist die geringe Reichweite, die ein Elektroauto fahren kann, die Hauptproblematik, welche zusätzlich von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Besonders hohe Geschwindigkeiten als auch zu hohe oder zu niedrige Außentemperaturen können die Reichweite wirksam beeinträchtigen. Zur Beschreibung dieser Auswirkung wird für die Reichweite in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ein physikbasiertes Modell verwendet. Hinzufügend wird anhand von Daten ein Regressionsmodell für die Temperaturabhängigkeit erstellt. Mithilfe dieser Modelle können Aussagen über die Nutzungsmöglichkeit von Elektroautos in den Sommer- und Wintermonaten als auch für Hochgeschwindigkeitsstraßen wie beispielsweise auf Autobahnen getroffen werden.

Der globale Klimawandel gehört zu einem der wichtigsten Themen, die in Politik, Wirtschaft und Wissenschaft diskutiert werden. Der Reduzierung des weltweiten CO2-Ausstoßes wird dabei ein besonderer Stellenwert beigemessen. Auch im Transportsektor wird eine Verringerung der CO2-Emissionen angestrebt. Um dieses Ziel zu erreichen sollte die Nachhaltigkeit im Transportwesen erhöht werden. Elektrofahrzeuge können enorm zu diesem Ziel beitragen. Dies setzt voraus, dass sie während ihrer gesamten Nutzungsphase mit Strom aus regenerativen Energien geladen werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, auch bei der Produktion auf eine möglichst hohe Nachhaltigkeit zu achten. Das bedeutet, dass die Ressourcen, die zur Produktion eines Elektrofahrzeugs (zum Beispiel Energieressourcen oder eingesetzte Materialien für die Batterieproduktion) möglichst gering gehalten werden sollten. Daher wird empfohlen, die maximale Kapazität einer Batterie und somit die verfügbare Reichweite eines Elektroautos gemäß der tatsächlichen Reichweitenanforderungen der Fahrer auszulegen. Dies bedeutet jedoch, dass Elektroautofahrer mit vergleichbar geringeren Reichweiten umgehen müssen als beim Verbrennerfahrzeug. Zusätzlich ist das Wiederherstellen der Reichweitenressourcen, also das Nachladen des Elektrofahrzeugs, mit höherem Aufwand verbunden als das Nachtanken eines Verbrennerfahrzeugs, da es heutzutage vergleichbar weniger öffentliche Schnelllademöglichkeiten gibt und das Nachladen relativ viel Zeit in Anspruch nimmt. Daher wird die Interaktion mit den Reichweitenressourcen eines Elektrofahrzeugs als relativ herausfordernd wahrgenommen. Dies führt dazu, dass die reichweitenbezogene Nutzerzufriedenheit und das Reichweitenerleben der Fahrer beeinträchtigt und die verfügbaren Reichweitenressourcen nicht optimal ausgenutzt werden. Darüber hinaus wird die limitierte Reichweite von Elektrofahrzeugen häufig auch als eine der wichtigsten Barrieren für die generelle Akzeptanz und Nutzung von Elektrofahrzeugen diskutiert. Um das Potenzial eines Elektrofahrzeugs hinsichtlich der Erhöhung der Nachhaltigkeit im Transportsektor voll auszuschöpfen ist es daher unerlässlich, Möglichkeiten zu finden um diese Barriere unter Beachtung der Anforderungen des Fahrers zu überwinden. Ergänzend zu technischen Lösungen wie zum Beispiel der Weiterentwicklung der Batterietechnology oder der Implementierung einer größeren Anzahl von öffentlichen Schnelllademöglichkeiten, sollten weitere Strategien entwickelt werden um das Reichweitenerleben der Elektroautofahrer zu verbessern und sie zu einer möglichst effizienten Ausreizung der verfügbaren Reichweitenressourcen zu befähigen. Reichweitenstress ist ein wichtiges Konzept in diesem Zusammenhang. Reichweitenstress ist besonders relevant in der Interaktion mit Elektrofahrzeugen auf Grund des relativ begrenzten Zugangs zu Schnellladestationen und relativ langer Ladedauern. Das Konzept ist aber auch auf anderen Arten der Mensch-Technik-Interaktion im Transportsektor übertragbar (z.B. auch auf Verbrennerfahrzeuge). Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird davon ausgegangen, dass sich Reichweitenstress und das breiter definierte Phänomen Reichweitenangst negativ auf die Zufriedenheit mit der Reichweite und der effizienten Nutzung von Elektrofahrzeugen auswirken. Um den maximalen Nachhaltigkeitseffekt von Elektrofahrzeugen ausschöpfen zu können, müssen daher Möglichkeiten gefunden werden um den erlebten Reichweitenstress zu verringern und der Entstehung von Stress vorzubeugen. Die vorliegende Dissertation trägt zu diesem Ziel bei, indem sie ein detailliertes Verständnis zu Reichweitenstress und dem Einfluss verschiedener Resilienzfaktoren im Rahmen von 5 Zeitschriftenartikeln (4 veröffentlich, 1 zur Veröffentlichung eingereicht) zur Verfügung stellt. Resilienzfaktoren meint dabei Faktoren, welche die Fähigkeit des Fahrers mit kritischen Situationen umzugehen erhöhen und somit das Erleben von Stress verringern. Das erste Forschungsziel dieser Arbeit bestand darin, das Konzept Reichweitenstress zur Beschreibung des Reichweitenerlebens in kritischen Reichweitensituationen (d.h., Situationen mit geringem Reichweitenpuffer) zu etablieren, ein theoretisches Rahmenmodell zur Erklärung von Reichweitenstress und möglichen Einflussfaktoren zur Verfügung zu stellen sowie eine Methode zur Erfassung von Reichweitenstress im experimentellen Kontext zu prüfen. Die Ergebnisse der Arbeit konnten zeigen, dass sich das Konzept Reichweitenstress dafür eignet, das Erleben der Fahrer zu beschreiben. Das bereits existierende Modell zur adaptiven Reichweitenkontrolle wurde auf den speziellen Fall einer Fahrt in einer kritischen Reichweitensituation angewendet und um das Konzept Reichweitenstress sowie möglicher, aus der Literatur abgeleiteter, Einflussfaktoren erweitert. Dies ermöglicht es, potenzielle stressreduzierende Faktoren abzuleiten um diese empirisch in einem Feldexperiment zu untersuchen, welches im Rahmen dieser Dissertation weiterentwickelt und getestet wurde. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, eine kritische Reichweitensituation in einem Feldexperiment herzustellen. Die Nutzung einer Coverstory ist in diesem Zusammenhang zu empfehlen (z.B. längere Strecke kommunizieren als dann tatsächlich gefahren werden muss). Das zweite Forschungsziel bestand darin, den Einfluss potenzieller Resilienzfaktoren auf den erlebten Reichweitenstress empirisch zu untersuchen. Basierend auf dem weiterentwickelten Modell der adaptiven Reichweitenkontrolle wurden mehrere Faktoren abgeleitet, die einen Einfluss auf das Reichweitenerleben haben sollten: (1) Wissen über Einflussfaktoren auf die Reichweitenentwicklung oder Wissen über Möglichkeiten zum energie-effizienten Fahren, (2) praktische Fahrerfahrung mit Elektrofahrzeugen sowie das Erleben einer kritischen Reichweitensituation, (3) Persönlichkeitseigenschaften wie zum Beispiel Kontrollüberzeugungen im Umgang mit Technik und schließlich (4) technische Systemeigenschaften wie zum Beispiel die wahrgenommene Verlässlichkeit des im Fahrzeug integrierten Systems zur Reichweitenschätzung. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vermittlung von relevanten Informationen zur Reichweite eines Elektrofahrzeugs das Reichweitenerleben zum Teil verbessern kann. Insbesondere detaillierte Informationen zum energie-effizienten Fahren haben das Potenzial um Reichweitenstress zu verringern. Daher sollten dem Fahrer diese Informationen auf vielfältigen Wegen zur Verfügung gestellt werden. Dies könnte zum Beispiel über Informationsbroschüren, im Rahmen theoretischer Trainings zur Verbesserung der Interaktion mit dem Elektrofahrzeug, bereits vor dem Kauf durch den Berater oder eventuell sogar im Rahmen der theoretischen Fahrschulausbildung geschehen. Ein weiterer vielversprechender Ansatz wäre die Bereitstellung der relevanten Informationen direkt während der Fahrt durch Informations-, Assistenz- und Tutorsysteme. Praktische Fahrerfahrung sowie das Erleben und erfolgreiche Bewältigen einer kritischen Reichweitensituation in einer relativ geschützten Umgebung konnten Reichweitenstress ebenfalls verringern. Daher wird empfohlen Probefahrten mit Elektrofahrzeugen sowie Praxistrainings anzubieten, die im Idealfall auch eine unterstützte Fahrt in einer kritischen Reichweitensituation beinhalten sollten. Durch das aktive Auseinandersetzen mit den Grenzen der Reichweite kann ein Lernprozess angestoßen werden, der zu einem effizienteren Umgang mit den Reichweitenressourcen des Fahrzeugs führt. Auch in diesem Kontext bieten Assistenzsysteme im Fahrzeug ein großes Potenzial. Sie sollten so gestaltet sein, dass sie einen aktiven Umgang mit der Reichweite sowie eine kritische Auseinandersetzung mit der Reichweitendynamik ermöglichen und fördern. In der vorliegenden Dissertation konnte gezeigt werden, dass Persönlichkeitsmerkmal wie hohe Emotionale Stabilität und hohe Kontrollüberzeugungen im Umgang mit Technik mit einem geringeren erlebten Reichweitenstress zusammenhängen. Dies hat vor allem theoretische Implikationen und kann dazu beitragen, relative Unterschiede zwischen Individuen zu verstehen. Zudem konnte gezeigt werden, dass technische Systemeigenschaften wie die wahrgenommene Verlässlichkeit des Systems zur Reichweitenschätzung (z.B. zu Grunde liegender Algorithmus, Aktualität und Genauigkeit der angezeigten Reichweiteninformationen) ein wichtiger Faktor im Zusammenhang mit reduziertem Reichweitenstress darstellt. Daher sollte darauf geachtet werden, die verbliebene Reichweite eines Elektrofahrzeugs möglichst genau und verlässlich zu schätzen (z.B. Integration möglichst vieler Einflussfaktoren in den Algorithmus zur Reichweitenschätzung) sowie gut verständlich und nachvollziehbar zu präsentieren. Das dritte Forschungsziel bestand schließlich darin, die Relevanz des Konzepts Reichweitenstress auch jenseits des experimentellen Settings zu überprüfen. Bisherige Forschung konnte zeigen, dass der alltägliche Umgang mit Elektrofahrzeugen eher durch das Vermeiden kritischer Reichweitensituationen gekennzeichnet ist. Daher stellte sich die Frage, ob Reichweitenstress und der Einfluss der Resilienzfaktoren auch im Alltagserleben eine Rolle spielt. Die Ergebnisse einer Langzeit-Feldstudie konnten zeigen, dass Reichweitenstress in Form von Sorgen oder Bedenken bezüglich der Reichweite durchaus relevant im täglichen Umgang mit Elektrofahrzeugen ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass die identifizierten Resilienzfaktoren (z.B. praktische Fahrerfahrung und technische Systemeigenschaften) auch unter alltäglichen Bedingungen das Erleben von Reichweitenstress verringern können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Reichweitenstress ein relevantes Konzept im Zusammenhang mit der Interaktion mit Elektrofahrzeugen darstellt. Das Erleben von Reichweitenstress kann durch verschiedene Resilienzfaktoren wie zum Beispiel relevante Wissenselemente und Erfahrungen positiv beeinflusst werden. Aus den Ergebnissen lassen sich Strategien und Design-Empfehlungen für Informations- und Assistenzsysteme ableiten. Dadurch kann das Reichweitenerleben verbessert und ein effizienter Umgang mit der Reichweite gefördert werden. Dies trägt schließlich auch dazu bei, die Zufriedenheit mit Elektrofahrzeugen sowie deren Akzeptanz zu verringern. Somit kann ein Beitrag zur Erhöhung der Nachhaltigkeit im Transportsektor geleistet werden. Das Elektrofahrzeug stellt in dem Zusammenhang nur ein Beispiel für Systeme dar, die einen Umgang mit begrenzten Ressourcen erfordern. Die theoretischen Konzepte, Annahmen, Ergebnisse sowie Schlussfolgerungen der vorliegenden Dissertation können auch auf andere Formen der Mensch-Maschine-Interaktion übertragen werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass eine Interaktion mit dem technischen System zu einer Verringerung der Ressourcen führt. Diese Arbeit kann also auch einen Betrag dazu leisten, den Stress und die mentale Beanspruchung beim Umgang mit diesen Systemen zu verringern sowie den effizienten Umgang mit begrenzten Ressourcen zu verbessern.:I Synopsis 1 Sustainability in the Context of Road Transport 2 The Challenge of Battery Electric Vehicles‘ Limited Range and the Contribution of the Present Dissertation 3 Overview of the Dissertation 4 Interaction with Battery Electric Vehicles' Range 4.1 Psychological Reference Values for the Regulation of Range Resources 4.2 The Adaptive Control of Range Resources (ACOR) Model 5 User Experience in Critical Range Situations 5.1 The Concept of Range Stress - Conceptual Framework and Empirical Investigation 5.1.1 Range Stress as One Facet of Drivers’ Experience in Critical Range Situations 5.1.2 Adaption of the ACOR Model with the Focus on Range Stress 5.1.3 Empirical Investigation of Range Stress and the Effects of Resilience Factors 5.2 Reduction of Range Stress - Influence of Inter-Individual Differences and Technical System Characteristics 5.2.1 The Influence of Domain Specific Knowledge on Range Stress 5.2.2 The Influence of Practical Driving Experience on Range Stress 5.2.3 The Influence of Personality Traits and Technical System Characteristics on Range Stress 5.3 Everyday Range Stress - Relevance of Range Stress and Resilience Factors in the Daily Interaction with Battery Electric Vehicles 6 Research Objectives of the Dissertation 6.1 Research Objective 1: Providing a Conceptual Framework and Validating a Methodology to Examine Range Stress and the Influence of Resilience Factors 6.2 Research Objective 2: Examining the Influence of Range-Related Knowledge, Practical Driving Experience, Personality Traits and Technical System Characteristics on Range Stress 6.3 Research Objective 3: Investigation of Range Stress and Specific Resilience Factors in the Everyday Usage of Battery Electric Vehicles 7 Overview of the Methodology 7.1 Field-Experimental Studies to Investigate Range Stress in a Critical Range Situation 7.1.1 General Setup of the Field Studies 7.1.2 Specific Characteristics of the Particular Field Studies 7.2 Long-Term Field Trial to Investigate Range Stress in Everyday BEV Interaction 8 Discussion and Critical Reflection of the Results 8.1 Research Objective 1: Providing a Conceptual Framework and Validating a Methodology to Examine Range Stress and the Influence of Resilience Factors 8.1.1 The Adapted ACOR Model (ACOR-c) with the Focus on Range Stress 8.1.2 Empirical Investigation of Range Stress in a Field-Experimental Setting 8.2 Research Objective 2: Examining the Influence of Range-Related Knowledge, Practical Driving Experience, Personality Traits and Technical System Characteristics on Range Stress 8.2.1 Influence of Range-Related Knowledge on Range Stress 8.2.2 Influence of Practical Driving Experience on Range Stress 8.2.3 Subjective Range Competence as Relevant Factor for Drivers’ Range Experience 8.2.4 Influence of Personality Traits and Technical System Characteristics on Range Stress 8.3 Research Objective 3: Investigation of Range Stress and Specific Resilience Factors in the Everyday Usage of Battery Electric Vehicles 9 Implications of the Results 9.1 Implications for the Conceptual Framework and the Methodology 9.2 Implications Regarding Range-Related Knowledge, Practical Driving Experience, Personality Traits and Technical System Characteristics 9.3 Implications Regarding Range Stress in the Everyday Interaction with Battery Electric Vehicles 10 Conclusion 11 References II Preliminary Study: Understanding the impact of electric vehicle driving experience on range anxiety III Paper 1: First-time experience of critical range situations in BEV use and the positive effect of coping information IV Paper 2: User experience with electric vehicles while driving in a critical range situation – a qualitative approach V Paper 3: Individual differences in BEV drivers’ range stress during first encounter of a critical range situation VI Paper 4: Positive influence of practical electric vehicle driving experience and range related knowledge on drivers' experienced range stress VII Paper 5: Which factors can protect against range stress in everyday usage of battery electric vehicles? Towards enhancing sustainability of electric mobility systems VIII Curriculum Vitae IX Publications

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.