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随着新能源汽车的广泛应用,锂离子电池的安全和可靠性备受关注。高效可靠的电池管理系统是保证锂离子电池系统安全高效工作的重要基础。因为锂离子电池是一个复杂的电化学-热耦合系统,所以建立能够充分反映锂离子电池动态特性且简单高效的电池模型对于锂离子电池的状态估计和管理都具有重要的意义。首先,将电化学模型中的直接添加电解液相电压降的单粒子模型（ESP1模型）进行改进,建立一种考虑了电极开路电位在电极厚度方向非均匀性的改进型单粒子模型（ESP2模型）,通过近似方法和误差修正方法建立了基于ESP2模型的改进型单粒子等效电路模型（ECM-ESP2模型）,其完全使用与传统等效电路模型一样的电阻电容等参数,其复杂度和参数数量都低于非等效电路形式的ESP2模型;其次,使用描述锂离子电池的电化学参数与温度之间关系的阿仑尼乌斯（Arrhenius）方程,建立起温度依赖的ECM-ESP2模型;然后,针对所开发的温度依赖的ECM-ESP2模型设计了参数辨识方法;最后,利用温度依赖的ECM-ESP2模型开展了锂离子电池的SOC及SOP估计。主要工作如下:1)在对电化学模型中的伪二维模型（P2D模型）以及直接添加电解液相电压降的单粒子模型（ESP1模型）内部电势分布的分析基础之上,提出一种考虑了电极开路电位在电极厚度方向非均匀性的改进型单粒子模型（ESP2模型）。改进型单粒子模型的精度高于现有的不添加电解液相电压降和直接添加电解液相电压降的单粒子模型。2)设计了将固相颗粒表面与平均锂离子溶度差的传递函数近似为由多个一阶系统组成的整数阶传递函数的方法,并以近似传递函数和原传递函数之间的幅频特性误差平方和最小为优化目标,获得了此近似传递函数的参数值,进而得到了计算单粒子模型中固相颗粒表面归一化电极SOC的近似传递函数和等效电路。为了实现电解液相锂离子溶度的计算,通过对多项式近似法进行拉普拉斯变换,得到了计算电解液相锂离子溶度差的近似传递函数及其等效电路。3)分析了Butler-Volmer方程的线性化形式及其线性化误差的规律与特性,提出了一种使用折算系数修正Butler-Volmer方程线性化误差的方法,使Butler-Volmer方程在其非线性区间也能用等效电路来等效。给出了改进型单粒子模型中固相和电解液相电势分布的解析解,得到了电解液相电压降的传递函数与等效电路。在对电解液相电势分布的分析基础上,推导了改进型单粒子模型端电压的修正值。综合固相颗粒表面归一化电极SOC和电解液相锂离子溶度差的等效电路以及改进型单粒子模型其余各部分的等效电路,得到了改进型单粒子模型的等效电路模型（ECM-ESP2模型）。分析了ECM-ESP2模型的电化学阻抗谱,并将其与P2D模型的电化学阻抗谱进行了对比。4)应用阿仑尼乌斯方程建立了将温度作为模型输入之一的温度依赖的ECM-ESP2模型。其计算复杂性和参数数量都低于现常用的多RC等效电路模型。推导了考虑电池内部温度不均匀性的计算圆柱形电池温度的状态空间方程。结合温度依赖的ECM-ESP2模型和计算电池温度的状态空间方程,建立了基于ECM-ESP2模型的电热耦合模型。5)设计了温度依赖的ECM-ESP2模型参数辨识方法。以全电池的OCV-SOC映射关系曲线为基础,辨识得到了锂离子电池的容量和正负电极的电极SOC范围,进而得到了正负电极的开路电位与归一化电极SOC的映射关系曲线。通过变温搁置实验得到了电池开路电压的温度系数。提出了一种结合电池的电化学阻抗谱（EIS）曲线和HPPC测试数据,利用界面反应电阻的非线性特征,辨识得到电池的界面反应电阻和不包含界面反应电阻的欧姆直流内阻以及它们的温度特性的方法。设计了使用卡尔曼滤波器估计电池内部温度的方法。以多温度下多SOC测试点的测试数据作为激励数据,使用遗传算法辨识得到了ECM-ESP2模型中与锂离子扩散相关的参数值及控制其温度特性的活化能参数值。通过仿真和实验对比了ECM-ESP2模型和传统的多RC等效电路模型在不同温度下的建模精度,结果表明ECM-ESP2模型的精度,尤其是在电池低SOC阶段的精度,明显高于传统的多RC等效电路模型。6)对比了基于ECM-ESP2模型和基于传统的多RC等效电路模型的SOC估计方法。通过仿真和实验表明,基于ECM-ESP2模型的SOC估计精度高于基于传统的多RC等效电路模型的估计精度。针对电池温度不准确导致模型精度降低,进而降低SOC估计精度的问题,设计了基于交互式多模型的SOC估计方法。7)阐述了传统的线性近似端电压预测法估计的下截止端电压约束电流误差较大的原因。并针对这个问题,提出了基于ECM-ESP2模型的非近似端电压预测法求解端电压约束电流的方法。仿真和实验表明,此方法可以显著提高下截止端电压约束电流的估计精度,进而显著提高电池低SOC阶段的SOP估计精度。本研究建立了一种模型复杂度不高的基于改进型单粒子模型的等效电路模型,所建立的新型模型可以明显提高锂离子电池端电压预测和状态估计的精度。研究工作对锂离子电池管理系统的工程应用和理论技术的提升和发展都具有实际的意义。