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.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung des Energiebedarfs elektrischer Fahrzeuge des ÖPNV auf Basis von Wahrscheinlichkeitsdichten entwickelt, das insbesondere eine Dimensionierung von fahrzeugseitigem Energiespeichersystem und wegseitiger Energieversorgungsinfrastruktur in einem fahrleitungsfreien Betriebskonzept (DockingPrinzip) erlaubt. Im Gegensatz zur deterministischen Energiebedarfsbestimmung ermöglicht die stochastische Modellierung mit einer Kombination aus Markov-Kette und Semi-Markov-Prozess die Berücksichtigung von Zuverlässigkeitsvorgaben im Sinne einer Missionserfüllung. Schließlich kann so die Größe hybrider Fahrzeugenergiespeichersysteme und die Lage von Nachladestationen entlang der Strecke optimiert werden. Die Wirksamkeit der Modellierung wird anhand einer Fallstudie basierend auf Messdaten für ein Straßenbahnfahrzeug demonstriert. Für die Auslegung der wegseitigen Energieversorgungsinfrastruktur werden die Belastungsgänge des Nachladeprozesses in Form von zeitgewichteten Belastungsdauerkurven für charakteristische Netztopographien hergeleitet. Ein Laden des fahrzeugseitigen Energiespeichers aus einer wegseitigen Energie-Vorsammel-Station (Docking-Station) bringt einerseits eine erhebliche Glättung des Leistungsverlaufs beim Energiebezug. Andererseits ist ein elektrischer Anschluss dieser Station an das Niederspannungsnetz in gewöhnlichen städtischen Siedlungsstrukturen innerhalb weniger hundert Meter möglich.

Wechselrichter im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen verbinden Batterie und Motor miteinander. Bei konventionellen Wechselrichtern ist die Ständerspannung des Fahrmotors durch die Batteriespannung begrenzt. Dies ist vor allem bei hohen Drehzahlen nachteilig, da hier ein zusätzlicher feldschwächender Strom notwendig ist. Dieser Strom wiederum verursacht zusätzliche Verluste in der Maschine und der Leistungselektronik. Einen alternativen Ansatz bieten hochsetzende Wechselrichter. Die Begrenzung der Ständerspannung durch die Batterie entfällt. In der vorliegenden Diplomarbeit werden zwei hochsetzende Wechselrichter miteinander verglichen. Zunächst wird die Funktionsweise des Wechselrichters mit Hochsetzsteller und des ZSource-Wechselrichters erläutert. Danach werden Bauelemente für beide hochsetzende Wechselrichter ausgewählt. Anschließend werden die Verluste und das thermische Verhalten der ausgewählten Konfigurationen analysiert und mit Matlab simuliert. Abschließend werden der Wechselrichter mit Hochsetzsteller und der Z-Source-Wechselrichter bezüglich der Kriterien Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Fertigungsaufwand miteinander verglichen. / Inverter in the drive train of electric vehicles connect the battery to the machine. Using conventional inverters, the stator voltage is limited by the battery voltage. This is mainly a disadvantage at a high speed, since an additional field weakening current is needed. This current produces extra losses in the electrical machine and the power electronics. DC/DC boosted inverters offer an alternative solution. A limitation of stator voltage through the battery does not occur. This diploma thesis is comparing two kinds of DC/DC boosted inverters. First the functionality of an inverter with boost converter and that of a Z-Sourceinverter are presented. Afterwards the electrical components for both inverters are chosen and are simulated using Matlab. Finally the results of the simulation are compared with respect to power effciency, reliability of the electrical components and the effort of production.

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.

Neben der Verringerung von Verkehrsunfällen und Staus ist ein wichtiges Ziel der Verkehrspsychologie, die Luftverschmutzung durch den Verkehr zu reduzieren. Elektrofahrzeuge (BEVs) könnten die CO2-Emissionen deutlich reduzieren. Der weltweite BEV-Bestand nimmt zwar stetig zu, aber die Marktanteile in den meisten EU-Ländern lag 2016 dennoch nur bei rund 1% (International Energy Agency, 2016). Eine weitreichende Verbreitung von Elektrofahrzeugen birgt nicht nur Vorteile in sich, sondern kann auch zur Belastung der Stromnetze führen. ‚Intelligente Ladesysteme‘, die den Ladeprozess an die Netzbelastung und Nutzeranforderungen (z.B. Ladestand bei Abfahrtszeit) anpassen, gelten als vielversprechende Lösung. Vor dem Hintergrund der bisher geringen Verbreitung von Elektrofahrzeugen und der mit einem Erfolg der Elektromobilität steigenden Relevanz intelligenter Ladesysteme entsteht die Notwendigkeit psychologische Faktoren zu identifizieren, die die Evaluation und Akzeptanz von Komponenten des Elektromobilitätssystems beeinflussen. An dieser Stelle knüpft die vorliegende Dissertation an. Der (praktische) Erfahrungshorizont vieler Menschen in Bezug auf Elektrofahrzeuge und intelligente Ladesysteme ist sehr limitiert. Unerfahrene Nutzer solch neuer Systeme begegnen bisher unbekannten Herausforderungen in der Mensch-Maschine-Interaktion. Beispielsweise geht das elektrische Fahren, im Vergleich zum Fahren herkömmlicher Fahrzeuge, mit einer wesentlich niedrigeren Reichweite, einer geringeren Geräuschkulisse, neuen „Nachtankprozessen“ und Fahrfunktionen wie der Rekuperation (d.h. regeneratives Bremsen bei dem kinetische in elektrische Energie umgewandelt wird) einher. Dieses Thema wird ebenfalls in der vorliegenden Dissertation aufgegriffen. Das erste Forschungsziel fokussierte die allgemeine Bewertung und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen sowie den Einfluss von praktischer Erfahrung. Im Rahmen einer Feldstudie mit zwei 6-monatigen Studienphasen (Artikel II), einer Onlinestudie (Studie I von Artikel III) sowie einer 24-Stunden Testfahrt (Studie II von Artikel III) wurde dieses Ziel untersucht. Für die verschiedenen Arten von Erfahrung (langzeitig mit gleichem Fahrzeug vs. unkontrolliert vs. kurzzeitig mit gleichem Fahrzeug) zeigten sich unterschiedliche Effekte auf die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen, die detailliert diskutiert werden. Die Berichte der Feldstudienteilnehmer (langzeitige Erfahrung) zu Vor- und Nachteilen von Elektrofahrzeugen zeigten, dass sich die Salienz bestimmter Vor- und Nachteile über die Nutzungszeit hinweg ändert. Vor allem die Vorteile, die beim Alltagstest direkt erlebt werden können (z.B. das angenehme Fahrgefühl, die geringe Geräuschkulisse), waren in ihrer Salienz gestiegen. Es gibt erlebbare Barrieren, wie die Ladedauer, die innerhalb der Feldstudie an Prägnanz verloren, aber auch andere, wie die Reichweite, die in ihrer Bedeutsamkeit konstant blieben. Die Vorher-Nachher-Studien (Artikel II & Studie II von Artikel III) zeigten, dass die Erwartungen der Tester an solch ein Fahrzeug im Alltagstest insgesamt erfüllt werden und die Einstellung gegenüber Elektrofahrzeugen positiv bleibt. Im Rahmen der 24-Stunden-Testfahrt (kurzzeitige Erfahrung) zeigte sich zudem ein Anstieg in der Zufriedenheit mit Elektrofahrzeugen. Dem gegenüber stehen die geringen Kaufabsichten der Befragten. Der Alltagstest mit einem Elektrofahrzeug, egal ob kurz- oder langzeitig, zeigte keine Effekte auf die Kaufintention. Allerdings wiesen die Ergebnisse der Onlinebefragung darauf hin, dass Personen, die bereits ein Elektrofahrzeug gefahren sind, gegenüber dem Kauf eines Elektrofahrzeugs nicht so stark abgeneigt sind wie Unerfahrene, aber dennoch keine klare Intention zeigen. Das zweite Forschungsziel bestand in der Untersuchung wie praktische Erfahrung mit dem Nutzerverhalten und der Evaluation bezüglich der Elektrofahrzeugcharakteristika zusammenspielt. Am Beispiel der Rekuperation wurde untersucht wie sich die Menschen im Rahmen einer 6-monatigen Feldstudie an solch eine Funktion gewöhnen, ihre Nutzung erlernen und ob sich dies in der Bewertung der Funktion widerspiegelt (Artikel I). Die Ergebnisse aus den Fahrzeugdaten weisen darauf hin, dass die Adaption an diese Funktion recht zügig abgeschlossen ist und dem Power Law of Practice (Newell & Rosenbloom, 1981) folgt. Die Rekuperationsfunktion wird durch die Nutzer positiv bewertet und die Zufriedenheit mit der Rekuperation steigt mit der Nutzungszeit. In zwei weiteren Studien wurde die Bewertung von Elektrofahrzeugcharakteristika zwischen Elektrofahrzeug-Erfahrenen und –Unerfahrenen verglichen. In der Onlinestudie (Studie I in Artikel III) mit dem unkontrollierten Erfahrungsfaktor zeigten sich kaum Unterschiede. Lediglich ‚Reichweite und Laden‘ bewerteten die Erfahrenen positiver. Kontrollierte, kurzfristige Erfahrung (Studie II in Artikel III) führte zu einer positiveren Bewertung von Beschleunigung und Fahrspaß, Geräuschlosigkeit, Sicherheit und Reliabilität, Umweltfreundlichkeit sowie des Rufs von Elektrofahrzeugen. Die Bewertung von Reichweite und Laden blieb unverändert. Das dritte, übergeordnete Ziel dieser Dissertation bestand darin, akzeptanzbeeinflussende Faktoren zu identifizieren, die als Ansatzpunkte für zukünftige Weiterentwicklungen und Strategien zur Erhöhung der Akzeptanz genutzt werden können. Dazu wurde das Potential der Bewertung verschiedener Elektrofahrzeugattribute, der Faktoren der Theorie des geplanten Verhaltens (Ajzen, 1991) sowie der Erfahrung mit Elektrofahrzeugen zur Vorhersage der Akzeptanz im Rahmen der beiden Studien in Artikel III untersucht. Der soziale Faktor (subjektive Norm) und die Bewertung von ‚Reichweite und Laden‘ wirkten sich am stärksten auf die Vorhersage von Einstellungs- und Verhaltensakzeptanz aus. In der Onlinestudie mit between-subjekt Design, zeigte sich zudem ein starker Erfahrungseffekt auf die Kaufabsicht. Zudem erwies sich auch der Faktor ‚Beschleunigung und Fahrspaß‘ als relevante Größe für die Akzeptanz. Vor dem Hintergrund der aktuellen Entwicklungen, im Detail den sinkenden Batteriekosten und damit günstiger werdenden Reichweiteressourcen, eröffnen die Ergebnisse Ansatzpunkte, um die Akzeptanz zu steigern. Die Bewertung der Performanz und das angenehme Fahrgefühl beim elektrischen Fragen weisen einen nicht zu vernachlässigbaren Einfluss auf die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen auf und konnten durch ein kurzzeitiges Erfahrungserlebnis positiv beeinflusst werden. Das letzte Forschungsziel dieser Dissertation fokussierte das intelligente Laden. Die Ergebnisse der 5-monatigen Feldstudie (Artikel IV) zeigten, dass ein intelligentes Ladesystem (mit aktiver Nutzerbeteiligung) nutzbar und akzeptabel ist. Allerdings zeigten die Ergebnisse auch, dass eine positive Kosten-Nutzen-Bilanz für die Nutzer von hoher Relevanz ist. Der zusätzliche Aufwand beim Laden erwies sich als signifikant höher und die finanziellen Anreize durch die Nutzung des Systems als niedriger als erwartet. Zudem fühlten sich die Nutzer durch das System zusätzlich in ihrer Mobilität eingeschränkt. Demnach sollten zukünftige, intelligente Ladesysteme sorgfältig gestaltet werden, so dass der Aufwand und die Reduzierung von Flexibilität und Mobilität nicht so hoch sind, dass die Barriere "Reichweite und Laden" für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen erhöht wird. Basierend auf den Ergebnissen wurden verschiedene Implikationen abgeleitet. Die Weiterentwicklung des Elektromobilitätssystems sollte sich darauf konzentrieren, die Barrieren bezüglich Reichweite und Laden zu reduzieren sowie die positiven Aspekte des elektrischen Fahrens zu vermitteln. Zudem sollten zukünftige Akzeptanzmodelle, vor allem für bisher eher unbekannte Objekte oder Technologien, einen Erfahrungsfaktor und die Bewertung verschiedener, objekt-/technologie-spezifischer Attribute enthalten, da dadurch wichtige Aspekte zur Verbesserung des Forschungsobjektes identifiziert werden können. Die Ergebnisse zeigten außerdem, dass der soziale Einfluss in zukünftigen Strategien zur Akzeptanzförderung von Elektrofahrzeugen adressiert werden sollte und eine Testfahrt mit einem Elektrofahrzeug, das dem aktuellen Entwicklungsstand entspricht, ein strategisches Werkzeug zur Akzeptanzsteigerung darstellt.:Acknowledgments i Zusammenfassung iii Table of Contents vii Synopsis 1 1 Overview of the Dissertation 1 2 Introduction 2 3 Three Pillars of Acceptance within the Context of the Electric Mobility System 4 3.1 Definition and Assessment Structure of Acceptance 4 3.2 Drivers and Barriers for Acceptance 5 4 The Importance of Experiencing Electric Mobility Systems Components 10 4.1 Really-new Products and the Problem of Uncertainty 10 4.2 Real-life Experience as Source of Information and Potential Driver of Acceptance 12 4.3 BEV Evaluation and the Role of Real-Life Experience 14 4.4 Integrating Experience as an Influencing Factor into the Theoretical Framework of BEV Acceptance 17 4.5 Evaluation of Smart Charging Systems (with High User Involvement) and the Role of System Experience 19 5 Summary and Research Questions 20 5.1 Research Objective 1: General Evaluation of BEVs and the Relevance of Real-Life Experience 21 5.2 Research Objective 2: BEV Attributes and the Relevance of Real-Life Experience 21 5.3 Research Objective 3: Predicting BEV Acceptance with Various Psychological Variables, the Evaluation of BEV Attributes and BEV Experience 22 5.4 Research Objective 4: Evaluation of a Smart Charging System Prototype and the Role of Real-Life Experience 23 6 Overview of the Methodology 24 6.1 MINI E field study 24 6.2 Online Survey 26 6.3 24-hour Test Trial 26 6.4 Smart Charging Field Study 27 7 Discussion and Critical Reflection of Results 28 7.1 Research Objective 1: General Evaluation of BEVs and the Relevance of Real-Life Experience 29 7.2 Research Objective 2: BEV Attributes and the Relevance of Real-Life Experience 34 7.3 Research Objective 3: Predicting BEV Acceptance with Various Psychological Variables, the Evaluation of BEV Attributes and BEV Experience 40 7.4 Research Objective 4: Evaluation of a Smart Charging System Prototype and the Role of Experience 44 8 Implications and Conclusion 46 8.1 Practical Implications for Acceptance of Electric Mobility System Components 46 8.2 Theoretical and Methodological Implications for Acceptance Research 49 8.3 Conclusion 51 References 53 Paper I 65 Paper II 91 Paper III 129 Paper IV 179 Curriculum Vitae 213 Publications 216 Eidesstattliche Erklärung 221

This literature research gives an overview about the various possibilities of energy storage for photovoltaics and electric vehicles. Therefore it discusses the general need for buffering and storage of renewable energy, the political setting and economic progress of electric mobility. Configurations, chemical reactions, advantages and disadvances of lead-, nickel-based-, metal-air, lithium-, high-temperature and redox-flow-batteries are discussed in concise form. A table of miscellaneous batteries sorted by their electrical and physical characteristics is attached to this document.:Abstract 4 1 Situation und Überblick zur Elektromobilität in Deutschland 5 1.1 Erneuerbare Energien als Zukunftsressource 5 1.2 Vorteile stromgetriebener Antriebe gegenüber Verbrennungsmotoren 6 1.3 Der nationale Entwicklungsplan Elektromobilität 8 2 Speicherung, Pufferung und Verfügbarkeit von Photovoltaikstrom in Bezug auf mobile und stationäre Systeme 10 2.1 Grundlagen zur Photovoltaik 10 2.1.1 Verfügbarkeit der photoelektrischen Energie 10 2.1.2 Technische Umsetzung 11 2.2 Möglichkeiten zur Speicherung regenerativer Energie 13 2.2.1 Anforderungen an Speichersysteme 14 2.2.2 Synthetische Kraftstoffe als Energiespeicher 14 2.2.3 Mechanische Energiespeicher 15 2.2.4 Elektrische Energiespeicher 16 2.2.5 Elektrochemische Energiespeicher 17 2.3 Anwendungsbeispiele für Photovoltaikstrom 19 3 Beschreibung der physikalischen und chemischen Prozesse elektrochemischer Speicher 22 3.1 Vergleichende Kennzahlen 23 3.2 Blei-Säure 26 3.3 Nickel-basiert 29 3.3.1 Nickel-Cadmium 29 3.3.2 Nickel-Metallhydrid 31 3.3.3 Nickel-Zink 33 3.4 Metall-Luft 35 3.4.1 Zink-Luft 36 3.4.2 Aluminium-Luft 37 3.4.3 Lithium-Luft 38 3.5 Lithium-Ion 39 3.5.1 Batterietypen 40 3.5.2 Aufbau und Funktion 42 3.5.3 Schaltung für Großbatterien 43 3.5.4 Forschungs- und Entwicklungslinien 44 3.6 Hochtemperaturbatterien 48 3.6.1 Natrium-Nickelchlorid 49 3.6.2 Natrium-Schwefel 50 3.7 Redox-Flow 52 3.7.1 Vanadium 53 3.7.2 Vanadium-Brom 54 3.7.3 Natrium-Polysulfid-Bromid 54 3.8 Hybrid-Flow 55 3.8.1 Zink-Brom 55 3.8.2 Cer-Zink 57 3.9 Auswertung der Vergleichsmatrix 58 4 Entwicklungstendenzen zwischen Elektromobilität und Energiewirtschaft 60 4.1 E-Energy / Smart Grid 61 4.2 Virtuelle Kraftwerke 62 4.3 Ausbau der Stromtrassen 64 4.4 Energieladesysteme 66 4.4.1 Stromtankstellen 66 4.4.2 Austausch der Energiespeicher 68 4.4.3 Induktive Energieübertragung 68 5 Zusammenfassung 69 Literaturverzeichnis: 70 Abbildungsverzeichnis 77 Tabellenverzeichnis 78 Eidesstattliche Erklärung 79 Anhang 80

Ein wichtiger Aspekt bei der Beurteilung und Gegenüberstellung von Fahrzeugantriebskonzepten sind Prognosen zu deren zukünftigen Entwicklung hinsichtlich gesellschaftlicher, ökonomischer und technischer Kriterien. Zukünftige technologische Potenziale von Fahrzeugantriebskonzepten und damit verbundene technologische Begleitaspekte nehmen hierbei eine wichtige Rolle im Rahmen der Antriebskonzipierung der frühen Konzeptphase ein. In dieser Arbeit wird eine in weiten Teilen simulationsbasierte Methodik für die Ermittlung und Analyse entsprechender Potenziale entwickelt. Die Methodik bildet dabei eine Kombination aus Expertenbefragungen und einer Metaanalyse für die Identifikation von Prognosen zu Antriebsstrangkomponenten sowie Verfahren der Modellierung und Simulation für die Ermittlung von Prognosen zu Fahrzeugantriebskonzepten. Die Praxistauglichkeit sowie der Nutzen der Methodik werden anhand von zwei exemplarischen Anwendungen präsentiert. Die erste Anwendung umfasst die Analyse eines beispielhaften PHEVs hinsichtlich der zukünftigen Potenziale im Bereich des Kraftstoffverbrauchs und der rein elektrischen Reichweite. Die zweite Analyse stellt ein exemplarisches BEV und ein FCHEV in Bezug auf die zukünftigen Potenziale hinsichtlich der Reichweite und der Antriebsstrangherstellkosten gegenüber. Darüber hinaus erfolgen in beiden Anwendungen Analysen zu Grenzpotenzialen, technologischen Ursachen, Fehlereinflüssen und weiteren technologischen Fragestellungen.:1 Einleitung 2 Forschungsumfeld, Handlungsbedarf und Vorgehensweise 3 Grundlagen, technischer Stand und Perspektiven der Fahrzeugantriebstechnologien 4 Methodisches Vorgehen und Methodikaufbau 5 Anforderungsspezifische Modellierung im Simulationsmodell 6 Prognosen zu Antriebsstrangkomponenten 7 Systematische Analyse der zukünftigen Potenziale von Antriebskonzepten 8 Anwendung und Ergebnisdiskussion 9 Zusammenfassung und Ausblick A Programmiertechnische Umsetzung B Bewertung von Antriebskonzepten C Datenbasis und Ergebnisse der Methodikanwendung / An important aspect in the assessment and comparison of vehicle powertrain concepts are forecasts with respect to the future development of these concepts regarding societal, economical as well as technological criteria. In this context, future technological potentials of vehicle powertrain concepts and related technological issues and effects play an important role, especially within the early powertrain conception phase. This work presents a mainly simulation-based methodology for the evaluation und analysis of respective technological potentials. The methodology comprises a combination of expert surveys and a meta-analysis for the identification of powertrain component forecasts and methods in the field of modelling and simulation for the evaluation of powertrain concept forecasts. Two exemplary applications are conducted to present the practicability and utility of the methodology. The first one comprises the analysis of an exemplary PHEV regarding its future potentials with respect to the fuel consumption and the purely electric range. Within the second one, an exemplary BEV and an exemplary FCHEV are compared with regard to future range and powertrain costs potentials. In addition to that, within both methodology applications, analyses with respect to technological limits, technological reasons, fault effects and further technological issues are conducted.:1 Einleitung 2 Forschungsumfeld, Handlungsbedarf und Vorgehensweise 3 Grundlagen, technischer Stand und Perspektiven der Fahrzeugantriebstechnologien 4 Methodisches Vorgehen und Methodikaufbau 5 Anforderungsspezifische Modellierung im Simulationsmodell 6 Prognosen zu Antriebsstrangkomponenten 7 Systematische Analyse der zukünftigen Potenziale von Antriebskonzepten 8 Anwendung und Ergebnisdiskussion 9 Zusammenfassung und Ausblick A Programmiertechnische Umsetzung B Bewertung von Antriebskonzepten C Datenbasis und Ergebnisse der Methodikanwendung

Aktuell finden umfangreiche Neuerungen und Veränderungen im Elektroenergiesystem statt. Dabei stellen die Netzintegration von Energiespeichern, EE-Anlagen und Elektrofahrzeugen sowie die Realisierung von Energiemanagementsystemen wichtige Neuerungen in der Niederspannungsebene dar. Analysen der Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen zeigen einen nennenswerten Einfluss auf den Lastbedarf. Als ein Ergebnis wird die maximal zulässige Anzahl an Elektrofahrzeugen ermittelt, bei der kein Netzumbau notwendig wird. Neben der Untersuchung verschiedener Ladevarianten wird die zufällige Ladung als innovative Ladevariante vorgestellt und deren Nutzen simuliert. / Currently, fundamental innovations and changes are occurring in the power system. The grid integration of energy storage systems, renewable energy systems and electric vehicles as well as the implementation of energy management systems are important innovations in the low-voltage grid. Analyses of charging processes for electric vehicles show significant impacts on the load demand. As one result, the maximum number of electric vehicles is determined assuming that no grid expansion is needed. Besides studying various charging options, a random charging method is proposed as an innovative charging option and its benefits are shown by simulations.

Die Arbeit beschreibt verschiedene technische Ansätze zur Bestimmung der Alterung der Chip-Substrat-Verbindung. Eine der Schlüsseltechnologien ist hierbei die Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur. Es werden in der Arbeit verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung der virtuellen Chiptemperatur von IGBTs und der Alterung der Chip-Substrat-Verbindung vorgestellt und mit ihren Vor- und Nachteilen in der Umsetzbarkeit und in der Anwendbarkeit im Umrichter diskutiert. Besondere Betrachtung findet dabei unter anderem die technische Umsetzung einer Messmethode, die auf einer kurzzeitigen Belastung im aktiven Bereich mit anschließender Bestimmung des Abkühlverhaltens basiert. Über einen Vergleich mit dem ursprünglichen Abkühlverhalten ist es mit den vorgestellten Verfahren gut möglich, die Chipalterung zu detektieren. Weiterhin wird ein Verfahren vorgestellt, das die Bestimmung der virtuellen Chiptemperatur im Umrichter über eine Ermittlung der Millerplateauhöhe im Abschaltmoment des IGBTs ermöglicht.:1 Einleitung 2 Alterung von Leistungshalbleitern 3 Stand der Technik der Chiptemperaturbestimmung in der Umrichterschaltung 4 Untersuchungen temperaturabhängiger elektrischer Bauelementparameter 5 Wichtige Verfahren zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung 6 Untersuchung eines Verfahrens zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung mittels Millerplateauhöhe 7 Technische Umsetzbarkeit der gezeigten Messverfahren 8 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang / This work describes different technical approaches to determine the aging of the chip-substrate interconnection. One of the key technologies here is the determination of the virtual junction temperature. Various possibilities for determining the virtual chip temperature of IGBTs and the aging of the chip-substrate interconnection are presented in the work and discussed with their advantages and disadvantages in terms of feasibility and applicability in the converter. Special consideration is given to the technical implementation of a measurement method based on a short-term load in the active area with subsequent determination of the cooling behavior. By comparing this with the original cooling behavior, it is possible to detect chip aging with the methods presented. Furthermore, a method is presented that enables the determination of the virtual chip temperature in the inverter via a determination of the Miller plateau height at the switch-off moment of the IGBT.:1 Einleitung 2 Alterung von Leistungshalbleitern 3 Stand der Technik der Chiptemperaturbestimmung in der Umrichterschaltung 4 Untersuchungen temperaturabhängiger elektrischer Bauelementparameter 5 Wichtige Verfahren zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung 6 Untersuchung eines Verfahrens zur Bestimmung der Chiptemperatur in der Umrichterschaltung mittels Millerplateauhöhe 7 Technische Umsetzbarkeit der gezeigten Messverfahren 8 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang