随着电动汽车的发展,作为唯一或主要动力来源的锂离子电池系统得到了更大的关注和发展,而随着电池比能量的不断增加,电动车的续航里程显著改善,但与传统车加油相比,其充电时间依然较长,同时高比能导致电池以热稳定性为代表的安全性反而降低,因此,充电速度和安全性已成为制约电动汽车大规模推广应用的瓶颈。(1)减少充电时间是吸引用户的重要因素之一,可以促进电动汽车的市场推广。本文提出了全生命周期内的自适应电流调节的快充算法,在实现快充的同时极大提升循环寿命,适用于高比能锂离子动力电池。通过dQ/dV与恒流相结合的复合优化快充算法,在快速充电的同时,不需要增加额外的运算开销,就可以实现在全生命周期内根据电池自身特性和状态进行自适应电流调节,因此可在缩短充电时间的同时保持良好的循环寿命。以高镍三元体系电池为实验对象,通过DIC测量锂离子电池常规充电和析锂、过充等充电过程中的体积变化;并通过循环测试表明,在经历1150次循环后仍然可以保持90%以上的容量,远大于同等充电时间的恒流充电算法600～800次循环80%的容量保持率,充分证明了该复合充电算法的有效性。通过负极电位测量、解剖和扫描表面形貌等方法对寿命衰减的机理进行了分析,发现了该复合充电算法的寿命衰减机理主要由负极材料损失引起,且可以有效避免负极的锂沉积,从而实现循环寿命和安全性的提升。(2)由于动力电池系统包含极大的能量,发生热失控扩散的时候可能发生起火爆炸等严重事故,对车辆甚至人身安全造成严重的威胁,必须采用有效的措施进行消除或抑制。在对21700圆柱形电池单体、模组级别进行大量热失控实验之后,本文发现了圆柱形电池的壳体撕裂的非典型失效模式,对其形成机理进行了研究,并明确了其在热失控扩散过程中的作用。通过对电池进行外部加热触发热失控实验,在总结大量单体和模组级别实验之后,发现壳体破裂会导致热失控的立即扩散。在对壳体破裂进行表面形貌和断面分析之后,将其分为熔洞和撕裂两种情况,研究其形成机理并通过模拟复现实验进行验证,发现了熔洞的形成是在热失控过程中电池内部极卷在壳体发生短路所致,而撕裂的形成是由于壳体在高温下强度降低受电池内部气压作用力所致。在此基础上,提出壳体破裂的改善措施后进行验证,确认模组级别热失控扩散可以得到有效抑制之后进行商业化批量生产应用,并在市场运行中表现出优秀的安全性,超过600万支电池实车运行累计超过1.5亿公里未发生热失控扩散的安全事故。(3)提出基于直接液冷的电池系统,首次实现了无间距电池系统成组设计以及电池与冷却介质接触面积的最大化,极大提升系统成组的质量效率,使得体积效率实现理论最大值,分别达到了 91%和72%,分别为扁管式间接液冷的1.1倍和1.5倍。其中,体积效率达到了圆柱形电池的理论最大值。由于有效的提升了热交换效率,具有优秀的热管理性能表现。仿真结果显示,直接液冷系统的最大温升和最大温差仅为扁管式间接液冷系统的20%～30%。通过高镍三元电池进行样品测试,1C放电温升不超过13℃,期间动态温差最大值不超过8.8℃。更为重要的是,由于强换热能力和对空气的隔绝作用,该系统在不需要额外增加外部条件的情况下实现了对热失控扩散的有效抑制,消除因单体电池失效导致的起火爆炸等安全隐患,为高比能电池在电动汽车上的应用提供了可行的方案。