锂离子电池在可再生能源利用、汽车电动化、智能电子设备等领域有着广泛的应用前景。正由于锂离子电池应用场景多样化、复杂化的发展趋势,其性能和安全越来越受重视,尤其在电池能量密度不断提高的技术背景下,电池热量引起的性能衰退、不均衡等问题日益凸显。这些问题的深入研究对电池结构、电池工况、电池组均衡以及电池热管理等方面有重要的理论指导意义。在此基础上,发展高效电池热管理系统,有利于保障电池的性能和安全。本文就电池性能衰减、电池组不均衡、电池热管理三个方面开展相应研究,主要研究内容和结论如下:一、建立了磷酸铁锂电池电化学-热-力耦合老化模型,综合考虑了SEI(Solid electrolyte interface)、析锂及负极活性材料损失。随初始温度提高,容量衰减经过三个阶段,分别为活性材料损失或析锂主导、活性材料损失及SEI共同作用、SEI主导;随充放电倍率提高,第二阶段对应的温度区间向温度更高的方向移动。发现高倍率恒流恒压充电过程由于迅速进入恒压过程而使得容量衰减增大不明显。靠近隔膜的负极区域,是析锂的主要区域,也是活性材料损失较为严重的区域,其中析锂对SEI生成及活性材料损失有抑制作用。研究了正负极的颗粒粒径、电极厚度、固相体积分数和电导率四个参数对衰减的影响,发现颗粒粒径的影响最明显,尤其是对析锂和活性材料损失的影响。电导率通过影响局部电流密度分布以及电池的工作电流进而影响容量衰减。二、建立了反映电芯-单体-电池组内在关联的电池组多层电化学-热耦合模型。研究了双阶段快充模式电池的电化学特性、温度不均匀性、电池组不均衡性的变化规律。发现高倍率转低倍率的充电模式下电芯内部局部电流密度及固相锂离子浓度梯度的空间分布变化幅度、负极固相锂离子浓度梯度、各电芯差异均较大。低倍率转高倍率模式在充电末期容易引起较大充电不均衡,而高转低则在充电倍率改变时刻容易导致较大的不均衡波动。进一步地,研究了冷却过程电池组的放电不均衡,不均衡在放电末期迅速增大。随着对流换热系数提高,不均衡先增大,当冷却效果饱和后,开始减小。电池组平均温度是电池组的重要参数之一,其越低,不均衡对温差越敏感,尤其低于20°C后。电池组初始温度越低或放电倍率越高会加剧不均衡。当放电倍率大于4 C时,放电倍率对不均衡的加剧影响较小。当冷却介质温度低于电池组初始温度时,进一步加剧电池组不均衡;单体局部温差越大,不均衡程度也越大;若各单体的局部温差不同,不均衡将更明显。与单体电芯层数多的电池组相比,单体电芯层数少的电池组在对流换热系数较小时的不均衡程度更大,但当冷却效果饱和后,其不均衡程度迅速减小。三、开展了基于热管冷却的电池组建模、电化学特性和性能分析,所采用的热管为部分压扁(压扁厚度为2 mm)的铜粉烧结吸液芯热管。建立了热管汽液两相模型,随热管压扁段增长或压扁厚度减小,温差分别呈线性和指数性增大。压扁厚度越小或工作温度降低,压扁蒸发段内蒸发速率分布越不均匀,越靠近蒸发段出口蒸发速率越大。发现当压扁厚度为2 mm,蒸汽腔厚度为0.5 mm时,圆管层流压降方程不适用于压扁段内的蒸汽压降计算,提出采用无限平板间层流压降方程推导压扁段内的蒸汽等效热阻,进而提出一种部分压扁热管的分段分区等效导热模型。在此基础上,建立了基于热管冷却的电池组电化学-热耦合模型,其中各个单体均有对应的电化学-热耦合模型。冷却开始时,入口冷却水不应低于电池初始温度10°C以上。在放电初期,不同冷却液温度下局部电流密度或锂离子浓度均以相近的速率变化;随后,在冷却液温度低的工况,两者的变化更剧烈,产生较大空间分布不均匀。冷却过程对正极固相锂离子浓度梯度的增大是导致电池可用容量减少的主要原因。冷却液温度每降低10°C,可用容量减少1.14%～1.17%,放电结束的最大不均衡增大100%～150%。最后,通过实验从冷却端可控参数角度研究热管冷却。不同环境温度下,热管-单相液体复合结构的冷却液流量增大至相同的某一定值后,继续增大冷却液流量对冷却效果的提高不明显。当环境温度不超过35°C时,通过降低入口冷却液温度可使得不同环境温度下的最大热负荷基本相当;而当环境温度低于25°C时,则无需降低入口冷却液温度。提出一种延迟冷却策略,电池热平衡温度可作为控制冷却系统启动的指标之一,在此基础上提出一种间歇冷却方法,冷却效果与持续冷却效果相近。提出热管与常压低沸点冷却液结合(热管-流动沸腾复合冷却),发现冷却液流量可比热管-单相液体复合冷却减少50%以上,且温度均匀性更优。随着冷却液流量提高,由于换热机制的转变,热管-流动沸腾复合冷却的效果先提高后下降。