随着锂离子电池在消费电子产品、新能源汽车和储能电站等领域的渗透率不断提高,应用场景向多样化、复杂化的趋势发展,其性能和安全也越来越受重视。尤其在快充和高容量的双重要求下,电池的内部极化效应和热效应引起的性能衰减、温升过高、温度均匀性恶化等问题日益凸显。本文基于电化学-热耦合模型,进行全面的软包锂离子电池的极化特性和热特性研究。在此基础上,开展电池热管理系统（BTMS）的关键组件及其冷却策略的优化设计,对于保障电池的性能及其安全具有积极意义。主要工作和结论如下:（1）通过实验方法获得软包电池的一维（1D）电化学-三维（3D）热耦合模型的建模参数和验证数据,仿真发现电压曲线和温度曲线的最大相对误差分别为0.93%和0.89%,这表明模型具有良好的精度。在此基础上,以充电过程中电池的电压和温度变化为切入点,对磷酸铁锂电池（Li Fe PO4）的极化和产热机理进行深入研究,并对电池的充电能效进行分析。结果表明,充电电压曲线的变化与电池总极化密切相关,过大的充电电流会加剧内部极化。电极中发生的极化在电池极化中占主导地位,特别是在负极中。活化极化在电极极化中的占比最大,而初始和最后阶段的极化曲线变化主要取决于固相扩散极化。电池在高充电电流下温度均匀性恶化是由于正极耳和电芯之间数量级的产热率差异。电池的温升归因于电芯的产热变化,其中不可逆热的贡献随着充电倍率的增加而非线性地增加,8C时超过电芯总产热的85%。此外,电池的充电能效随着充电电流的增大而逐渐降低,在8C时仅有0.948。（2）基于单体电池的热分布特点,开展了液冷BTMS的散热组件“冷板”的拓扑优化设计。提出了两类热分布的拓扑优化问题,并以最大化换热量和最小化流阻为优化目标,对顶部进口冷板（TIC）、中间进口冷板（MIC）和底部进口冷板（BIC）进行了二维拓扑结构设计,发现在不均匀热分布拓扑下得到的流道分布也相对不均匀。随后,利用拓扑的结果和34Ah电池单体模型的产热率曲线,构建简化的冷却系统模型,并对不同冷板进行性能对比。与传统的平行通道冷板相比,拓扑的TIC显示出更好的综合性能。针对该类型的冷板,分析了不同的质量流量和典型驾驶工况的影响。结果表明,当进口质量流量超过1g/s时,拓扑TIC表现出更高的努塞尔数和更小的压降,这意味着更好的散热和更少的泵功率消耗,特别是对于非均匀热分布拓扑冷板（N-TIC）。在5g/s时,与传统的TIC相比,N-TIC的电池温差下降了23.7%,泵功耗减少了62.1%。在新欧洲驾驶循环（NEDC）和世界轻型汽车测试程序（WLTP）的两种工况下,拓扑TIC出色的冷却能力再次得以证明。（3）考虑到极耳的高产热的特点,为40Ah软包电池提出了一种采用极耳空冷与冷板液冷结合的BTMS策略,并进行仿真分析。发现通过引入极耳冷却,可以消除出现在正极耳上的热区。与传统的冷板结构相比,新型冷板可以减少8.1%的压降,同时电池组的温度也有所降低。针对初始BTMS,开展了一系列的单因素影响分析（包括空气速度、空气温度、冷却液质量流速和系统布局）,提出了改进的BTMS,并在不同放电速率下（1C～5C）对其进行评估。在5C的高放电倍率下,与初始设计相比,改进BTMS下的电池模组的最高温度和温差分别降低了26.0%和61.1%,极耳的温升也得到良好的控制。