<p>  </p> <p>As consumer adoption and total energy consumption of electric vehicles continues to rapidly increase, it is important to develop comprehensive system modeling frameworks that consider the complex interactions of their mechanical, electrical, and thermal subsystems to guide component technology development. This thesis studies the influence of cabin glass properties on the performance of an electric vehicle thermal system and overall cabin design considerations. The work first builds a generic long-range electric vehicle dynamic thermal system model while considering the system architecture, component sizing, control scheme, and glass properties. This comprehensive system model is used to assess the influence of cabin glass radiative properties on vehicle performance. The system model incorporates simplified models for all salient components in the electric traction drive, cabin HVAC, and battery subsystems, and uses a higher fidelity cabin thermal model that is able to capture the individual properties of the cabin glass used in the vehicle. To study the cabin model in isolation, a heat-up scenario is used to find that a cabin air temperature reduction of 8 °C through the use of different glass properties alone. Additionally, the cabin model is run repeatedly to produce a large data set that is trained using a machine learning regression model. This surrogate regression model that is used to reduce the computational time allowing for fast studies of glass properties and build an application engineering tool. The overall system performance is then evaluated under a dynamic NEDC drive cycle which is repeated until battery depletion to determine a vehicle range. A system validation is done on the HVAC subsystem by using steady-state thermodynamic analysis and comparing to the dynamic system model. This results in good agreement between four different subsystem modeling approaches. The system model is used to study five different glazing design cases, each corresponding to different transmission and reflection properties of the glass, by predicting their impact on the vehicle range. The cases span all theoretically possible glass properties while also enabling inspection of practical glass technologies that are available or under development to be adopted in modern electric vehicles. The influence of glass on vehicle range is then further compared at various locations across the United States to understand and illustrate the effects of ambient conditions and solar load. The system model predicts a vehicle range of 188.5 miles under a high solar loading scenario typical for Phoenix, AZ using traditional glass properties, which increases to a range of 221.6 miles using high-performance glass properties, representing a significant potential gain of 33.1 miles using technologies available on the market today. Under this same loading scenario, the glass properties at their extreme physical limits could theoretically affect the vehicle range by up to 92.5 miles. The influence of the glass properties is location-specific, and the model predicts that using the same glass at different locations can affect the range of vehicle by up to 100.8 miles for traditional glass properties and 73.4 miles for high-performance glass properties. </p>

Dans le cadre du développement des voitures électriques (VE), la solution de chauffage de l’habitacle par pompe à chaleur (PAC) s’impose graduellement en raison des plus grandes efficacités de ces dernières par rapport aux résistances électriques classiques. Cependant, dans certaines conditions, du givre se forme sur l’évapo-condenseur entraînant une dégradation marquée des performances du système. L’enjeu général de ce travail est donc de développer une PAC pour VE efficace en conditions de givrage afin d’améliorer l'autonomie en hiver. Pour ce faire, un évapo-condenseur résistant au givrage est nécessaire. Afin d’améliorer le design de l’échangeur, un modèle dynamique et pseudo 3D d’échangeur à microcanaux, typique de l’automobile, en conditions de givrage a été développé. Un sous-modèle de croissance de givre à la fois simple et précis a été établi en étudiant les différentes hypothèses de modélisation trouvées dans la littérature. Ensuite, au niveau échangeur de chaleur, la clé réside dans la bonne prédiction des pertes de charge aérauliques. Ainsi, une nouvelle approche a été de considérer les épaisseurs maximales locales de givre et une corrélation intégrant l’impact du givre afin de bien prédire les pertes de charge, la chute du débit d’air, et donc la chute de la puissance thermique de l’échangeur. Le modèle complet d’échangeur de chaleur couplé à un ventilateur a été validé expérimentalement. À partir d’une étude numérique basée sur le modèle, deux concepts innovants ont été établis : l’un avec ailettes ondulées débordantes et l’autre avec passes de réfrigérant croisées. Deux prototypes ont été fabriqués, à partir de l’évapo-condenseur de la Renault Zoé, puis testés. Le meilleur des deux échangeurs, celui à ailettes débordantes, a été monté sur véhicule et comparé à l’échangeur de la Zoé. Le prototype a permis d’allonger d’environ 2.5 fois la période de fonctionnement du système. Finalement, un modèle de PAC avec givrage a été réalisé et intégré dans un modèle complet de VE. Pour un VE avec une autonomie d’environ 140 km sans chauffage, il s’avère que le givrage de la PAC dégrade l’autonomie d’environ 15% pour un trajet à 0°C et 90% d'humidité. Grâce à l’utilisation du prototype à ailettes ondulées débordantes, cette perte d’autonomie est de 3% seulement. / In the electric vehicle (EV) development context, the choice of heat pumps (HP) for cabin heating is becoming more popular due to their high efficiency compared to electric heaters. However, under some operating conditions, frost forms on the HP evapo-condenser causing a dramatic drop in the system performances until the system cannot operate. Hence, this work aims at developing a HP for EV which remains efficient under frosting conditions ultimately, to improve the EV range in the winter. This requires the design of a frost-resistant heat exchanger (HX). First, to improve the HX design, a dynamic and pseudo-3D model under frosting conditions of a typical HX for cars has been developed. A simple and accurate frost growth sub-model has been established by studying the various modeling assumptions found in the literature. Then, at the HX level, the key point has been to predict the air pressure losses, via the consideration of the maximum local frost thicknesses and the development of a correlation considering frost, in order to predict the drop of airflow and therefore the drop of the HX cooling capacity. Then, the model of the HX coupled with the fan has been validated experimentally. Using the model, a numerical study has been conducted and two innovative concepts have been established: one with wavy upstream extending fins and the other with crossed passes of refrigerant. Two prototypes were fabricated, using a reference HX taken from the Renault Zoé, and then tested. The best of the two HX, the one with upstream extending fins, was mounted on a VE and compared to the reference case. The prototype allowed extending the system operation by 2.5 times approximately. Finally, a HP model under frosting conditions was built and integrated into a EV model. It appeared that, for an EV with a range of approximately 140 km without heating, the HP frosting degrades the autonomy by about 15% at 0°C and 90% humidity, which was reduced to 3% via the use of the innovative HX prototype with wavy upstream extending fins.

Ressourcenknappheit und nachhaltige Nutzung von Ressourcen sind zentrale Themen unserer Zeit. Das Thema nachhaltige Mobilität hat auch in der Verkehrspsychologie über die letzten Jahre zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei wird der Elektromobilität ein entscheidender Beitrag zur nachhaltigen Nutzung unserer Energieressourcen zugesprochen. Die Steigerung der Unabhängigkeit von Energieimporten, die mindestens lokale Emissionsfreiheit und die Möglichkeit erneuerbare Energien besser ins Stromnetz zu integrieren sind zentrale Vorteile der Elektromobilität. Eine potentielle Herausforderung für die Nutzer stellt jedoch die Interaktion mit den begrenzten Reichweitenressourcen dar. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Nutzererleben und -verhalten im Umgang mit der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Zu Beginn des Forschungsprojekts „MINI E Berlin powered by Vattenfall“, welches die Grundlage dieser Dissertation darstellt, gab es kaum veröffentlichte Studien zur Nutzerperspektive auf Reichweite. Das Ziel dieser Dissertation ist daher, ein detailliertes und theoriegeleitetes psychologisches Verständnis zentraler Facetten dieses Themenfelds zu erlangen. Basierend auf übertragbaren Theorien und Konzepten aus verwandten Teilgebieten der angewandten Psychologie, wird in der Dissertation ein Modell entwickelt und getestet: Das Modell der adaptiven Kontrolle von Reichweitenressourcen. Ein Kernpunkt dieses Modells ist das Konzept der komfortablen Reichweite, welches eine psychologische Fundierung des vieldiskutierten Konzepts der Reichweitenangst darstellt. Denn im Alltag erleben Nutzer mit Elektrofahrzeugerfahrung bei einer für Mobilität in Deutschland relativ typischen Fahrleistung kaum Situationen, in denen es zu Reichweitenangst kommt. Die Reichweiteninteraktion ist eher von der Vermeidung und nicht vom Erleben von Reichweitenangst (Reichweitenstress) gekennzeichnet. Über die Analogie zum psychologischen Stress werden verschiedene Einflussvariablen auf die komfortable Reichweite identifiziert. Die komfortable Reichweite (der individuell präferierte Reichweitensicherheitspuffer) stellt sich als eine Variable dar, bei der es eine große interindividuelle Varianz gibt, die teilweise auf einer unterschiedlichen Stressresistenz zu beruhen scheint. Insgesamt wird die, sich in vorangegangenen Studien abzeichnende, suboptimale Reichweitenausnutzung damit erklärt, dass es neben der technischen Reichweite drei psychologische Reichweitenschwellen gibt, die den Übergang von der objektiven physikalischen zur subjektiven psychologischen Reichweitensituation charakterisieren: (1) Die kompetente (für den Nutzer maximal erreichbare), (2) die performante (im Alltag verfügbare), und (3) die komfortable (die wirklich nutzbare) Reichweite. Es zeigt sich, dass 20-25% der im Alltag verfügbaren Reichweitenressourcen als psychologischer Sicherheitspuffer verlorengehen. Mit dem erworbenen Verständnis für die Reichweiteninteraktion sollte es möglich werden besser fundierte Maßnahmen abzuleiten, um mit einer bestimmten Batteriekapazität mehr nutzbare Reichweitenressourcen zu erzielen und Nutzer bei einer nachhaltigeren Nutzung der Reichweitenressourcen zu unterstützen. Einen weiteren Schwerpunkt der Dissertation bilden Interaktionsstile im Umgang mit den Reichweitenressourcen. In Analogie zu psychologischen Konzepten wie Fahrstilen und Bewältigungsstilen und basierend auf ersten Studien zu Ladestilen bei der Nutzung von Smartphones wird das Konzept des UBIS (user-battery interaction style) vorgeschlagen, als eine Tendenz sich mehr oder weniger aktiv mit den Batterieressourcen auseinanderzusetzen (z.B. bei Ladeentscheidungen). Es zeigt sich in der Tat, dass diese Variable, gemeinsam mit der komfortablen Reichweite, bestimmte Parameter des Ladeverhaltens aufklären kann und dabei auch eine gewisse Stabilität über die Zeit und über verschiedene Mensch-Technik-Systeme hinweg aufweist. Auch findet sich ein Zusammenhang zwischen dem UBIS und der nachhaltigen Interaktion mit den Energieressourcen in einem Elektromobilitätssystem. Schließlich behandelt die Dissertation auch die Präferenzen für bestimmte Reichweitenauslegungen. Hier wird dem Befundmuster nachgegangen, dass die Reichweitenpräferenzen von Autokäufern scheinbar oftmals weit über den tatsächlichen Reichweitenbedürfnissen liegen. In der vorliegenden Arbeit wird diese Diskrepanz erstmals auf Basis von Daten potentieller Elektrofahrzeugkäufer mit praktischer Elektrofahrzeugerfahrung quantifiziert. Es zeigt sich, (1) dass solche Nutzer nicht unbedingt übertriebene Reichweitenerwartungen haben, (2) dass erlebte Reichweitenangst während der Nutzung und eine größere vertraute Reichweite bei Verbrennerfahrzeugen mit höheren Reichweitenpräferenzen einhergehen, (3) dass sich die Reichweitenpräferenzen mit zunehmender Erfahrung verringern, und (4) dass es mit zunehmender Erfahrung einen wachsenden Zusammenhang zwischen den tatsächlichen Mobilitätsbedürfnissen und den Reichweitenpräferenzen gibt. Dies weist auf die Wichtigkeit von praktischer Erfahrung für den breiten Erfolg von nachhaltigen Elektromobilitätssystemen hin. Möglicherweise sind einige theoretische und methodische Entwicklungen aus dieser Arbeit auch auf ähnliche Mensch-Technik-Systeme und verwandte Fragestellungen der nachhaltigen Mobilität übertragbar. Implikationen für die Anwendung sind beispielsweise, dass eine verlässlich nutzbare Reichweite wichtiger ist als die Steigerung der maximalen Reichweite und dass Informations- und Assistenzsysteme für den Umgang mit der Reichweite darauf ausgelegt werden sollten, dass sie zu einer intensiven Auseinandersetzung mit der Reichweitendynamik anregen und damit den Kompetenzerwerb fördern sowie die Nutzer bei der alltäglichen Regulation der Reichweitenressourcen unterstützen, zum Beispiel indem sie die subjektive Kontrollierbarkeit der Reichweite erhöhen.:I Synopse 1 1 Einleitung 2 2 Forschungsrahmen & Forschungsziele 4 2.1 Einbettung der Dissertation in die angewandte Psychologie 4 2.2 Nutzer und Reichweite von Elektromobilitätssystemen 5 2.3 Vorbefunde zum Reichweitenerleben und -verhalten 6 2.4 Forschungsziele der Dissertation 7 3 Der Umgang mit knappen Ressourcen 8 3.1 Das Task-Capability Interface (TCI) Modell 8 3.2 Übertragbarkeit des TCI-Modells 9 3.3 Das Comfort Zone Modell von Summala (2007) 10 3.4 Übertragbarkeit des Comfort Zone Modells 10 3.5 Das transaktionale Stressmodell 11 3.6 Übertragbarkeit des transaktionalen Stressmodells 12 4 Die adaptive Kontrolle von Reichweitenressourcen 13 4.1 Psychologische Konzepte zum Umgang mit Reichweite 13 4.2 Der Prozess der Reichweitenkontrolle 15 5 Methodische Aspekte der Dissertation 17 6 Diskussion und Implikationen 19 6.1 Zusammenfassung der Befunde 19 6.2 Theoretische Implikationen 20 6.3 Implikationen für die Anwendung 24 6.4 Kritische Reflexion der Studienmethodik 29 6.5 Ertrag für die psychologische Forschung 31 7 Literatur 34 II Artikel 1: Experiencing range in an electric vehicle: Understanding psychological barriers 40 III Artikel 2: Interacting with limited mobility resources: Psychological range levels in electric vehicle use 65 IV Artikel 3: Understanding charging behaviour of electric vehicle users 80 V Artikel 4: What drives range preferences in electric vehicle users? 96 VI Lebenslauf 104 VII Publikationen 106 / Scarcity of resources and sustainable use of resources are central issues of our time. In traffic psychology, the theme of sustainable mobility has also taken on increased importance in recent years. Herein electric mobility has been ascribed a decisive role in the sustainable utilization of our energy resources. Less dependence on energy imports, zero-emissions (at least locally), and the potential for better integration of renewable energy sources into the power grid are central advantages of electric mobility. Yet, a potential challenge for users is the interaction with limited range resources. The present dissertation focuses on user experience and behavior in dealing with electric vehicle range. Prior to the research project, “MINI E Berlin powered by Vattenfall”, which constitutes the basis for this dissertation, there were rarely any published studies concerning the user perspective on range. Consequently, the goal of this dissertation is to obtain a detailed and theory-driven psychological understanding of the central facets of this topic. Based on transferrable theories and concepts from related areas of applied psychology, a model is developed and tested within this dissertation: the adaptive control of range resources (ACOR) model. A key point of this model is the concept of comfortable range, which represents a psychological foundation of the widely discussed concept of range anxiety. This is because, in everyday life, users with practical electric vehicle experience rarely experience situations in which range anxiety occurs, given a relatively typical mileage for mobility in Germany. Rather, range interaction is characterized by the avoidance, not the experience, of range anxiety (i.e., range stress). Via the analogy to psychological stress, different variables that influence comfortable range are identified. The comfortable range (i.e., an individual’s preferred range safety buffer) appears to be a variable that shows a high interindividual variance, which partly seems to be predicated upon differing stress resistance. In sum, the suboptimal range utilization found in previous studies is explained by the proposition that there are three psychological range levels besides the technical range that characterize the transition from the objective physical to the subjective psychological range situation: (1) The competent (i.e., maximum achievable for the user), (2) the performant (i.e., available on an everyday basis) and (3) the comfortable (i.e., actual usable) range. It shows that 20-25% of the range resources that are available on an everyday basis are lost as a psychological safety buffer. With the acquired understanding of user-range interaction, it should become possible to develop better informed strategies for attaining higher actual battery usage relative to battery capacity, as well as supporting users in the sustainable use of range resources. Another focus of the dissertation is interaction styles in dealing with range resources. Analogous to the psychological concepts of driving styles and coping styles and based on earlier studies of mobile phone use charging styles, the concept of UBIS (user-battery interaction style) is proposed, as a tendency to deal with the battery resources rather more or less actively (e.g., in charging decisions). Indeed, it shows that this variable, together with comfortable range, can explain certain parameters of charging behavior, and also shows temporal stability as well as stability across different human-machine-systems. Moreover, a relationship between UBIS and a sustainable interaction with energy resources in an electric mobility system is found. Finally, the dissertation also covers the preferences for certain range configurations. Here, the pattern of previous research findings indicate that range preferences of car buyers are often far greater than their actual range needs. In the present work, this discrepancy is quantified for the first time based on data from potential electric car customers with practical electric vehicle experience. It shows that, (1) such users do not necessarily have exaggerated range preferences, (2) experienced range anxiety during usage and a higher familiar range of combustion cars are associated with higher range preferences, (3) range preferences decrease with increasing experience, and (4) the correlation between actual range needs and range preferences grows as practical experience increases. This highlights the importance of practical experience for the broad success of sustainable electric mobility systems. Potentially, some theoretical and methodological developments from this work are also transferrable to similar human-machine-systems as well as related issues in the field of sustainable mobility. Implications for application are, for example, that a reliable usable range is more important than an increase in maximum possible range. Moreover, the design of information and assistance systems for facilitation of the user-range interaction must be targeted at encouraging more intensive interaction with range dynamics, promoting skill acquisition as well as supporting users in their daily regulation of range resources, for example by enhancing subjective controllability of range.:I Synopse 1 1 Einleitung 2 2 Forschungsrahmen & Forschungsziele 4 2.1 Einbettung der Dissertation in die angewandte Psychologie 4 2.2 Nutzer und Reichweite von Elektromobilitätssystemen 5 2.3 Vorbefunde zum Reichweitenerleben und -verhalten 6 2.4 Forschungsziele der Dissertation 7 3 Der Umgang mit knappen Ressourcen 8 3.1 Das Task-Capability Interface (TCI) Modell 8 3.2 Übertragbarkeit des TCI-Modells 9 3.3 Das Comfort Zone Modell von Summala (2007) 10 3.4 Übertragbarkeit des Comfort Zone Modells 10 3.5 Das transaktionale Stressmodell 11 3.6 Übertragbarkeit des transaktionalen Stressmodells 12 4 Die adaptive Kontrolle von Reichweitenressourcen 13 4.1 Psychologische Konzepte zum Umgang mit Reichweite 13 4.2 Der Prozess der Reichweitenkontrolle 15 5 Methodische Aspekte der Dissertation 17 6 Diskussion und Implikationen 19 6.1 Zusammenfassung der Befunde 19 6.2 Theoretische Implikationen 20 6.3 Implikationen für die Anwendung 24 6.4 Kritische Reflexion der Studienmethodik 29 6.5 Ertrag für die psychologische Forschung 31 7 Literatur 34 II Artikel 1: Experiencing range in an electric vehicle: Understanding psychological barriers 40 III Artikel 2: Interacting with limited mobility resources: Psychological range levels in electric vehicle use 65 IV Artikel 3: Understanding charging behaviour of electric vehicle users 80 V Artikel 4: What drives range preferences in electric vehicle users? 96 VI Lebenslauf 104 VII Publikationen 106