Energieeffizienz im Elektrofahrzeug – Implikationen für die Nutzerschnittstelle, die Fahraufgabe und motivationale Aspekte

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